JP2007531514A - Bioluminescence imaging of local Ca2 + dynamics in living organisms in non-invasive real time in vivo - Google Patents

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Abstract

本発明は、生物系におけるCa+動態の光学的検出法に関し、該方法は、該生物系に存在する、蛍光タンパク質に連結した化学発光タンパク質を含むかまたはからなる、組換えCa2+感受性ポリペプチドにより放射される光子をモニタリングすることを含む。特定の実施形態において、該組換えポリペプチドは、化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)を可能とするリンカーにより連結されたエクオリンおよびGFPを含むかまたはからなり、該組換えポリペプチドを特定の細胞ドメインまたは区画に標的化させることのできるペプチド断片を場合により含む。本発明はまた、インビボでのCa2+動態のモニタリングの可能な条件において、カルシウム濃度に感受性の該組換えポリペプチドを発現しているトランスジェニック非ヒト動物にも関する。特定の実施形態において、該組換えポリペプチドの発現および/または局在は、特定の組織、単一細胞型および/または特定の細胞区画もしくはドメインに限局されている。The present invention relates to an optical detection method of the Ca 2 + dynamics in biological systems, said method is present in said biological system, comprises or consists of chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein, recombinant Ca 2+ sensitive poly Monitoring the photons emitted by the peptide. In certain embodiments, the recombinant polypeptide comprises or consists of aequorin and GFP linked by a linker that allows chemiluminescence resonance energy transfer (CRET), wherein the recombinant polypeptide is bound to a particular cellular domain. Or optionally includes peptide fragments that can be targeted to the compartment. The invention also relates to a transgenic non-human animal expressing the recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration in conditions that allow monitoring of Ca 2+ kinetics in vivo. In certain embodiments, the expression and / or localization of the recombinant polypeptide is confined to a particular tissue, single cell type, and / or a particular cell compartment or domain.

Description

本発明は、遺伝子的にコードされている生物発光リポーターを使用して、局所カルシウムシグナル伝達(例えばCa2+濃度の高いミクロドメイン)の光学的検出を可能とする方法を提供する。本発明は、局所Ca2+シグナル伝達に対する薬理学的物質または神経修飾物質の効果を検出する方法を記載する。本発明は、特に、神経活性化などの細胞または組織活性化に関連し、イオンチャネル機能(Ca2+透過性の受容体/チャネル)及びシナプス伝達の光学的検出に関する、局所Ca2+の動的変動を可視化するための方法を提供する。本発明はまた、生物系におけるCa2+動態の光学的検出法に関し、該方法は、該生物系に存在する、蛍光タンパク質に連結した化学発光タンパク質を含むかまたはからなる組換えCa2+感受性ポリペプチドにより放射される光子をモニタリングすることを含む。また、本発明は、局所カルシウム動態のインビボでのモニタリングが可能な条件において、蛍光タンパク質に連結した少なくとも1種類の化学発光タンパク質からなる、カルシウム濃度に感受性の組換えポリペプチドを発現しているトランスジェニック非ヒト動物を提供する。Ca2+は、受精、分泌、収縮−弛緩、細胞運動性、細胞質およびミトコンドリアでのタンパク質の代謝、合成、産生、遺伝子発現、細胞周期進行、並びにアポトーシスを含む、ほぼ全ての細胞機能において役割を果たしている、最も遍在的で生理的に重要なシグナル伝達分子の1つである(Rizzutoら、2002)。 The present invention provides a method that allows optical detection of local calcium signaling (eg, Ca 2+ concentrated microdomains) using genetically encoded bioluminescent reporters. The present invention describes a method for detecting the effects of pharmacological or neuromodulating agents on local Ca 2+ signaling. The present invention relates specifically to cellular or tissue activation, such as nerve activation, and dynamic variation of local Ca 2+ with respect to optical detection of ion channel function (Ca 2+ permeable receptors / channels) and synaptic transmission. Provides a method for visualizing The invention also relates to a method for optical detection of Ca 2+ kinetics in a biological system, the method comprising a recombinant Ca 2+ sensitive polypeptide comprising or consisting of a chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein present in the biological system. Monitoring the photons emitted by. The present invention also provides a trans-expressing recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration, comprising at least one chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein under conditions that allow in vivo monitoring of local calcium dynamics. A transgenic non-human animal is provided. Ca 2+ plays a role in almost all cell functions including fertilization, secretion, contraction-relaxation, cell motility, protein metabolism, synthesis, production, gene expression, cell cycle progression, and apoptosis in the cytoplasm and mitochondria. It is one of the most ubiquitous and physiologically important signaling molecules (Rizzuto et al., 2002).

細胞および細胞下(subcellular)レベルでのCa2+トランジェントの特徴は、複雑であって、空間的、時間的、および定量的因子により変化する。細胞質と細胞外空間ではCa2+濃度に20,000倍以下の差異があり、そのため、チャネルが短時間しか開口していなくても、Ca2+流入が高速で起こるだろう。拡散、緩衝タンパク質へのCa2+の結合、および細胞区画(cellular compartments)による隔離(sequestration)などの因子によりCa2+勾配が生じ、チャネル孔から数百nm以内に高濃度のミクロドメインが生じる。10μmなどのより長い距離を越えると、Ca2+の有効拡散係数は強く減少するであろう。 The characteristics of Ca 2+ transients at the cellular and subcellular level are complex and vary with spatial, temporal and quantitative factors. There is a 20,000-fold difference or less in Ca 2+ concentration in the cytoplasm and extracellular space, so Ca 2+ inflow will occur at high speed even if the channel is open for only a short time. Factors such as diffusion, Ca 2+ binding to buffer proteins, and sequestration by cellular compartments produce Ca 2+ gradients that produce high concentrations of microdomains within a few hundred nm from the channel pores. Beyond longer distances such as 10 μm, the effective diffusion coefficient of Ca 2+ will decrease strongly.

Ca2+シグナルは、空間、時間および振幅が高度に調節されているので、画定されたプロファイル(例えば振幅および反応速度)を有する。Ca2+トランジェント(transient)は、サイトゾルでのCa2+拡散、Ca2+結合タンパク質による緩衝化、および細胞小器官によるCa2+輸送により形作られる(Bauer、2001;Llinasら、1995)。任意の所与の細胞ミクロドメインにおいて到達されるCa2+濃度およびその反応速度は、シグナル伝達経路がその標的に到達することに成功したか否かを決定するのに非常に重要である。Ca2+は、キナーゼおよびホスファターゼなどの酵素、転写因子、および分泌に関与するタンパク質機械を含む、多くの重要な細胞タンパク質の活性化に必要である。Ca2+シグナル伝達カスケードはまた、生化学経路または機能的受容体および輸送機序の調節における負のフィードバックを媒介する場合もある。細胞内のCa2+の伝播はまた、局所シグナル伝達経路を、細胞内のより遠い場所にあるシグナル伝達経路と連関させるのを助けたり、あるいは、細胞または細胞ネットワーク(例えば中枢神経系)間の長距離伝達を容易にすることができる(Augustineら、2003)。 The Ca 2+ signal has a defined profile (eg, amplitude and response rate) because space, time and amplitude are highly regulated. Ca 2+ transients (-transient) is, Ca 2+ diffusion in the cytosol, is shaped by the buffering, and Ca 2+ transport by organelles by Ca 2+ binding proteins (Bauer, 2001; Llinas et al., 1995). The Ca 2+ concentration reached in any given cellular microdomain and its kinetics are very important in determining whether a signaling pathway has succeeded in reaching its target. Ca 2+ is required for the activation of many important cellular proteins, including enzymes such as kinases and phosphatases, transcription factors, and protein machinery involved in secretion. The Ca 2+ signaling cascade may also mediate negative feedback in the regulation of biochemical pathways or functional receptors and transport mechanisms. Intracellular Ca 2+ propagation also helps link local signaling pathways with more distant signaling pathways within the cell, or lengthens between cells or cellular networks (eg, the central nervous system). Distance transmission can be facilitated (Augustine et al., 2003).

高濃度Ca2+ミクロドメインを生じるCa2+トランジェントは、発達、分泌、およびアポトーシス、並びに多くの細胞過程(遺伝子発現、神経伝達、シナプス可塑性、および神経細胞死を含む)において重要である多種多様の機能に関連している(Augustineら、2003;Bauer、2001;Llinasら、1995;Neher、1998)。Ca2+プロファイルの空間時間的特異性を特徴付けることは、多くの病理過程(偏頭痛、統合失調症、並びに、アルツハイマー病、パーキンソン病、およびハンチントン舞踏病などの神経変性疾患の発症に関連する早期事象を含む)に関与している、細胞内Ca2+恒常性撹乱の原因である機序を解明するのに重要である(MattsonおよびChan、2003)。Ca2+は、ほぼ全ての細胞シグナル伝達経路に直接的または間接的に関連しているので、Ca2+の光学的検出は、分子、細胞、組織、および動物完全体レベルでの生物活性の万能的指標である。光学顕微鏡を使用する局所Ca2+事象の画像化は大きく進歩した。その結果、蛍光ダイを使用した、単一樹状突起棘(Yuste、2003)およびより近年では単一シナプス(Digregorio、2003)におけるCa2+シグナル伝達が成し遂げられた。しかし、Ca2+の測定を空間的に向上させる1つの方法は、リポータータンパク質を特定の位置に遺伝子的に標的化(targeting)させることであり、これにより、Ca2+活性を直接可視化できる。特に、このようなリポータータンパク質を、ミクロドメイン(発生源または受容体から200nm以内)またはさらにはナノドメイン(20nm以内)に固定することができた(論評についてはAugustineら、2003を参照)。トランスジェニック動物における細胞型特異的プロモーター制御下でのリポーター遺伝子の発現はまた、単一細胞型、組織、または解剖学的な動物完全体の画像化における動的な変化を追跡するための非侵襲的な方法を提供することができる。 Ca 2+ transients that produce high concentrations of Ca 2+ microdomains are a wide variety of functions that are important in development, secretion, and apoptosis, as well as many cellular processes, including gene expression, neurotransmission, synaptic plasticity, and neuronal cell death (Augustine et al., 2003; Bauer, 2001; Llinas et al., 1995; Neher, 1998). Characterizing the spatiotemporal specificity of the Ca 2+ profile is an early event associated with the development of many pathological processes (migraine, schizophrenia, and neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and Huntington's disease) Is important to elucidate the mechanisms responsible for intracellular Ca 2+ homeostatic disturbances (Mattson and Chan, 2003). Since Ca 2+ is directly or indirectly associated with almost all cell signaling pathways, optical detection of Ca 2+ is a versatile bioactivity at the molecular, cellular, tissue, and whole animal level. It is an indicator. Imaging of local Ca 2+ events using light microscopy has made great progress. As a result, Ca 2+ signaling was achieved in single dendritic spines (Yuste, 2003) and more recently in single synapses (Digregorio, 2003) using fluorescent dyes. However, one way to spatially improve the measurement of Ca 2+ is to genetically target the reporter protein to a specific location, which allows direct visualization of Ca 2+ activity. In particular, such reporter proteins could be anchored to the microdomain (within 200 nm from the source or receptor) or even into the nanodomain (within 20 nm) (for review see Augustine et al., 2003). Reporter gene expression under cell type-specific promoter control in transgenic animals is also non-invasive to track dynamic changes in imaging single cell types, tissues, or whole anatomical animals Specific methods can be provided.

リアルタイムでのカルシウムのモニタリングは、生物系、例えば中枢神経系の発達、可塑性、および機能の解明を向上するのに役立つ。実際に、単一細胞型、特に単一ニューロンおよびニューロンネットワークにおける電気的活性を画像化するための光学技術の発展に多大なる努力がなされてきたが、電気生理的技術も使用してこの目標を達成する必要が依然としてある。細胞または生体系の空間的に限局された領域におけるCa2+リポータープローブの遺伝子標的化(例えば区画内に、ミクロドメインまたはナノドメインに、あるいは特異的ポリペプチドへの融合により)は、特定の細胞活性または生理的機能を検出するための分子画像化手法である。本発明は、生物系におけるCa2+の動態を光学的に検出する方法(該方法は、該生物系に存在する、蛍光タンパク質に連結した化学発光タンパク質を含むかまたはからなる、組換えCa2+感受性ポリペプチドにより放射される光子をモニタリングすることを含む)、並びに、カルシウムに感受性の該組換えポリペプチドを発現しているトランスジェニック非ヒト動物を提供することにより、当該技術分野でのこうした必要性を充足することを助ける。この技術の非侵襲的な性質、並びに、該組換えタンパク質が無毒性であるという知見は、該方法が、おそらくヒトにおいても応用できることを意味する。 Real-time calcium monitoring helps to improve the elucidation of the development, plasticity and function of biological systems such as the central nervous system. In fact, great efforts have been made to develop optical techniques for imaging electrical activity in single cell types, especially single neurons and neuron networks, but this goal has also been achieved using electrophysiological techniques. There is still a need to achieve. Gene targeting of Ca 2+ reporter probes in spatially confined regions of cells or biological systems (eg, within compartments, to microdomains or nanodomains, or by fusion to specific polypeptides) can affect specific cellular activity. Alternatively, a molecular imaging technique for detecting physiological functions. The present invention relates to a method (method for detecting the dynamics of Ca 2+ optically in a biological system is present in said biological system, comprises or consists of chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein, recombinant Ca 2+ sensitive Such need in the art by providing a non-human animal expressing the recombinant polypeptide sensitive to calcium, as well as monitoring photons emitted by the polypeptide) To help satisfy. The non-invasive nature of this technology, as well as the finding that the recombinant protein is non-toxic, means that the method can probably be applied in humans.

本発明を、以下の図面を参照して記載する。   The invention will now be described with reference to the following drawings.

発明の説明
腔腸動物の中に、生物発光種が存在する。数多くの研究により、生物発光は、カルシウムに感受性であることが多い光タンパク質により発生することが示された。タンパク質に言及する場合に本明細書で使用した感受性は、該感受性タンパク質のそのコンフォメーション、他の分子に対する親和性、局在、または光放射のあらゆる改変を意味する。この種の特定のタンパク質は、カルシウムイオン濃度の増加に応答して、一瞬の光を放射する。これらの光タンパク質の中で、エクオリン(Aequorin)は、最もよく研究されているものの1つである(Blinksら、1976)。
DESCRIPTION OF THE INVENTION Bioluminescent species are present in coelenterates. Numerous studies have shown that bioluminescence is generated by photoproteins that are often sensitive to calcium. Sensitivity as used herein when referring to a protein refers to any modification of the conformation of the sensitive protein, its affinity for other molecules, localization, or light emission. Certain proteins of this type emit a momentary light in response to an increase in calcium ion concentration. Of these photoproteins, Aequorin is one of the best studied (Blinks et al., 1976).

クラゲAequoria victoria(Shimomuraら、1962)で単離されたエクオリンは、Ca2+感受性光タンパク質であり、すなわち、それはCa2+と相互作用すると改変および/または活性化される。該改変および/または活性化は、特に非侵襲的方法で検出できる。より具体的には、エクオリンは、Ca2+と相互作用すると、2または3個のカルシウムイオンと結合した後、最大波長スペクトル470nmの一瞬の青い光を放射する。古典的なルシフェラーゼ−ルシフェリン反応とは対照的に、光の放射には外来酸素が必要とされず、光の総量は、タンパク質量とCa2+濃度に関連する。酸素は分子状で結合し、エクオリンの再構成は、分子量21kDaのタンパク質のアポエクオリンとコエレンテラジンの作用により起こる。光子放射は、エクオリンタンパク質上のカルシウムイオンと結合した後に、コエレンテラジンの過酸化反応により引き起こされる。この過程には2つの仮説が示唆されている:(i)エクオリンとカルシウムイオンの結合が、タンパク質のコンフォメーション変化を起こし、これにより酸素がコエレンテラジンと反応することが可能となり、光の放射を誘発する、(ii)酸素が、コエレンテラジンとアポエクオリンの結合に役割を果たす(ShimomuraおよびJohnson、1978)。エクオリンは、インビトロおよびインビボでコエレンテラジンにより、例えば、それを直接培地に添加することにより、または、投与により、特に器官への注入により再創造される場合がある(ShimomuraおよびJohnson、1978)。 Aequorin isolated in the jellyfish Aequoria victoria (Shimomura et al., 1962) is a Ca 2+ sensitive photoprotein, ie, it is modified and / or activated upon interaction with Ca 2+ . Said modification and / or activation can be detected in particular by non-invasive methods. More specifically, when aequorin interacts with Ca 2+ , it binds with two or three calcium ions and then emits a momentary blue light with a maximum wavelength spectrum of 470 nm. In contrast to the classical luciferase-luciferin reaction, no extraneous oxygen is required for light emission, and the total amount of light is related to the amount of protein and the Ca 2+ concentration. Oxygen is bound in a molecular form, and aequorin reconstitution occurs by the action of apoaequorin and coelenterazine, a protein with a molecular weight of 21 kDa. Photon emission is caused by peroxidation of coelenterazine after binding to calcium ions on the aequorin protein. Two hypotheses have been suggested for this process: (i) The binding of aequorin and calcium ions causes a conformational change in the protein, which allows oxygen to react with coelenterazine, triggering light emission. (Ii) Oxygen plays a role in the binding of coelenterazine and apoaequorin (Shimomura and Johnson, 1978). Aequorin may be recreated in vitro and in vivo by coelenterazine, for example, by adding it directly to the medium, or by administration, particularly by organ injection (Shimomura and Johnson, 1978).

エクオリン中のコエレンテラジン部分を、異なるコエレンテラジン類似体で置き換えることにより、30個までの異なる半合成エクオリンを製造できる(Shimomura、1995)。異なる半合成エクオリンは、スペクトルの違い、異なるCa2+結合親和性、安定性、膜透過性および相対再生速度の違いを示す。Ca2+濃度の測定は、様々な組合せを使用して、100nMから1mMまで実施できる。天然エクオリンを天然コエレンテラジンで再構成すると、Ca2+に対する親和性が低く(K=10μM)、そのため生理的Ca2+濃度変動範囲における良好なセンサーとなる。光放射とカルシウムイオン濃度の関係は線形ではない可能性があるが、それにも関わらず光放射とカルシウムイオン濃度のlog関係は決定されている(JohnsonおよびShimomura、1978)。エクオリン消費速度分率は、生理的pCa範囲において[Ca2+]に比例している。実際、Ca2+濃度が10−7Mから10−6Mへと、また1000倍の10−6Mから10−5Mへと移行すると、バックグラウンド雑音比に対して200倍のシグナルの増加が測定されている(CobboldおよびRink、1987)。さらに、シグナル発生の反応速度は、Ca2+イオン濃度の瞬間的な増加を検出するのに十分なほどに急速である。カルシウム飽和条件下で6ミリ秒の時定数で光強度の増加が示されている(Blinksら、1978)。したがって、エクオリンは、生理的条件下でCa2+イオンの急速で上昇した増加を測定するのに十分に適合した光タンパク質である。近年の研究で、リンカーを含むGFP−エクオリンリポーターのCRET応答時間が調べられた(Gorokhovatskyら、2004)。Ca2+が引き起こすGFP−エクオリンの生物発光反応は、典型的な瞬間型のエクオリンの生物発光反応を示すことを示している。流れを停止させた装置にCa2+を添加した後、光放射が直ちに始まり、50ミリ秒以内にピークに達した。応答反応速度は、「カメレオン」で示される会合速度定数と同等のようである(Miyawakiら、1997)。 By replacing the coelenterazine moiety in aequorin with a different coelenterazine analog, up to 30 different semi-synthetic aequorins can be produced (Shimomura, 1995). Different semi-synthetic aequorins show differences in spectra, different Ca 2+ binding affinity, stability, membrane permeability and relative regeneration rate. The measurement of Ca 2+ concentration can be performed from 100 nM to 1 mM using various combinations. Reconstitution of natural aequorin with natural coelenterazine has a low affinity for Ca 2+ (K d = 10 μM), which makes it a good sensor in the physiological Ca 2+ concentration variation range. Although the relationship between light emission and calcium ion concentration may not be linear, the log relationship between light emission and calcium ion concentration has nevertheless been determined (Johnson and Shimomura, 1978). The aequorin consumption rate fraction is proportional to [Ca 2+ ] in the physiological pCa range. In fact, when the Ca 2+ concentration transitions from 10 −7 M to 10 −6 M and from 1000 times 10 −6 M to 10 −5 M, there is a 200-fold increase in signal relative to the background noise ratio. Measured (Cobbold and Rink, 1987). Furthermore, the rate of signal generation is rapid enough to detect an instantaneous increase in Ca 2+ ion concentration. An increase in light intensity has been shown with a time constant of 6 milliseconds under calcium saturation conditions (Blinks et al., 1978). Thus, aequorin is a photoprotein that is well suited to measure a rapid and elevated increase in Ca 2+ ions under physiological conditions. A recent study examined the CRET response time of a GFP-aequorin reporter containing a linker (Gorokhovatsky et al., 2004). The GFP-Aequorin bioluminescence reaction caused by Ca 2+ has been shown to show a typical instantaneous aequorin bioluminescence reaction. After adding Ca 2+ to the apparatus where the flow was stopped, light emission started immediately and peaked within 50 milliseconds. The response rate seems to be equivalent to the association rate constant indicated by “chameleon” (Miyawaki et al., 1997).

Prasherら(1985)およびInouyeら(1985)によるアポエクオリン遺伝子のクローニングにより、核、細胞質、ミトコンドリア、小胞体、または形質膜シグナルペプチドとの融合により、特定の細胞区画への標的化を可能とする、発現ベクターが創造された(Kendallら、1992;Di Giorgioら、1996)。さらに、該タンパク質のインビボでの発現により、カルシウムの細胞内生理機能を撹乱することなく、低レベルでのその検出が可能となる。   Cloning of the apoaequorin gene by Prasher et al. (1985) and Inouye et al. (1985) allows targeting to specific cell compartments by fusion with nuclear, cytoplasmic, mitochondrial, endoplasmic reticulum, or plasma membrane signal peptides Expression vectors have been created (Kendall et al., 1992; Di Giorgio et al., 1996). Furthermore, the in vivo expression of the protein allows its detection at a low level without disturbing the intracellular physiological function of calcium.

天然には、光タンパク質活性は、第二タンパク質と連関していることが非常に多い。最も一般的なのは、「緑色蛍光タンパク質」すなわちGFPである。この場合に、放射される光は、事実、緑色である。放射機序によるエクオリンとGFPの間でのエネルギー移動の仮説は、1960年代にJohnsonら(1962)により提案された。Ca2+の存在下でエクオリンにより放射される青い光は、おそらく、GFPにより吸収され、最大波長509nmを有するスペクトルで再放射される。他の研究により、このエネルギー移動は、GFPとエクオリンの間のヘテロテトラマーの形成により可能となる非放射機序により起こることが示されている。Moriseら(1974)は、DEAEセルロース膜上に2個の分子を同時吸着させることにより、このエネルギー移動をインビトロで可視化することに成功した。しかし、これらの研究により、この条件でCa2+の引き起こしたエクオリンの発光の量子収量は0.23であり、これは、エクオリン単独のものと一致することが示された(Moriseら、1974)。 Naturally, photoprotein activity is very often associated with a second protein. The most common is “green fluorescent protein” or GFP. In this case, the emitted light is in fact green. The hypothesis of energy transfer between aequorin and GFP by the radiation mechanism was proposed by Johnson et al. (1962) in the 1960s. The blue light emitted by aequorin in the presence of Ca 2+ is probably absorbed by GFP and re-emitted in a spectrum with a maximum wavelength of 509 nm. Other studies have shown that this energy transfer occurs by a non-radiative mechanism enabled by the formation of a heterotetramer between GFP and aequorin. Morise et al. (1974) succeeded in visualizing this energy transfer in vitro by simultaneously adsorbing two molecules on a DEAE cellulose membrane. However, these studies showed that the quantum yield of Ca 2+ -induced aequorin emission in this condition was 0.23, consistent with that of aequorin alone (Morise et al., 1974).

GFPは、クラゲAequoria victoriaでも単離されているが、これがクローニングされた(Prasherら、1992)。細胞発現および系統マーカーとして様々な生物系で使用されている(Cubittら、1995)。古典的な蛍光顕微鏡を使用したこのタンパク質の検出は、生きた生物および固定組織の両方において比較的実施し易い。さらに、蛍光放射は、補因子または補酵素の添加を必要とせず、自己触媒翻訳後過程に依存する。9個のアミノ酸からなるフルオロフォアは、セリン65とグリシン67の間で環を形成し、これは中間体のイミダゾリジン5を与え、その後、チロシン66の酸化により、デヒドロチロシンへと変換されることにより特徴付けられる(Heimら、1994)。この群は、発色団と直接相互作用する環境を構成する11個のβ層を含む円柱内に認められる(Yangら、1996)。   GFP has also been isolated in the jellyfish Aequoria victoria, but this has been cloned (Prasher et al., 1992). It has been used in various biological systems as cell expression and lineage markers (Cubitt et al., 1995). Detection of this protein using classic fluorescence microscopy is relatively easy to perform in both living organisms and fixed tissues. Furthermore, fluorescence emission does not require the addition of cofactors or coenzymes and relies on autocatalytic post-translational processes. A 9 amino acid fluorophore forms a ring between serine 65 and glycine 67, which gives the intermediate imidazolidine 5 which is then converted to dehydrotyrosine by oxidation of tyrosine 66 (Heim et al., 1994). This group is found in a cylinder containing 11 β-layers that constitute an environment that interacts directly with the chromophore (Yang et al., 1996).

カルシウム流入をリアルタイムでモニタリングすることにより、中枢神経系、心臓、脳および肝臓などの多くの器官の発達、可塑性、および機能、並びにその関連する病態の解明に役立つ。クラゲでは、化学発光しカルシウムに結合するエクオリンタンパク質が、緑色蛍光タンパク質(GFP)と会合し、Ca2+刺激時には緑色生物発光シグナルが発生する。エクオリンのみでは、励起後の光子の放射が弱いために、細胞および細胞下レベルで検出することは困難であり、単一細胞または良好な時間的解像度で検出することは極めて困難である。 Real-time monitoring of calcium influx helps elucidate the development, plasticity and function of many organs such as the central nervous system, heart, brain and liver and their associated pathologies. In jellyfish, aequorin protein that chemiluminescents and binds to calcium associates with green fluorescent protein (GFP) and generates a green bioluminescent signal upon Ca 2+ stimulation. Aequorin alone is difficult to detect at the cellular and subcellular levels due to weak photon emission after excitation, and extremely difficult to detect at single cell or good temporal resolution.

より高い量子収量を有するであろうカルシウムに感受性の新規マーカーが、第WO01/92300号に記載されている。このマーカーは、2つの分子間の化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)を利用している。カルシウム感受性生物発光リポーター遺伝子は、GFPとエクオリンを融合させることにより作製され、これによりはるかに明るい光が放射される。エクオリンに連結したGFPをコードしている核酸分子の組換えにより得られた様々な構造物が、国際特許出願第WO01/92300号に開示され、これは引用例として本明細書に取り込む。   A novel marker sensitive to calcium that would have a higher quantum yield is described in WO 01/92300. This marker utilizes chemiluminescence resonance energy transfer (CRET) between two molecules. The calcium sensitive bioluminescent reporter gene is made by fusing GFP and aequorin, which emits much brighter light. Various structures obtained by recombination of nucleic acid molecules encoding GFP linked to aequorin are disclosed in International Patent Application No. WO 01/92300, which is incorporated herein by reference.

哺乳動物細胞における、これらの融合タンパク質の化学発光活性および蛍光活性を評価した。サイトゾルCa2+増加を、単一細胞レベルで、冷却した増感CCD(結合電荷素子)カメラで画像化した。この二機能的リポーター遺伝子は、トランスジェニック動物のニューロンネットワークおよび特定の細胞下区画におけるカルシウム活性の調査を可能とする。 The chemiluminescent and fluorescent activities of these fusion proteins in mammalian cells were evaluated. The cytosolic Ca 2+ increase was imaged at the single cell level with a cooled sensitized CCD (coupled charge device) camera. This bifunctional reporter gene allows investigation of calcium activity in the neuronal network and specific subcellular compartments of transgenic animals.

本発明は、Ca2+誘起生物発光の量子収量を増加させるために、エクオリンおよびGFPを用いて作成した融合タンパク質または組換えタンパク質を利用する。この活性は、単に、エクオリンとGFPを同時発現させることにより増加させることはできない。 The present invention utilizes a fusion protein or recombinant protein made with aequorin and GFP to increase the quantum yield of Ca 2+ -induced bioluminescence. This activity cannot simply be increased by co-expressing aequorin and GFP.

エクオリンは、カルシウム結合親和性が低く(Kd=10μM)、よって、[Ca2+緩衝系として主要な効果は持っていないはずであり、また、Ca2+勾配を平板化することもないはずである。シグナル発生の反応速度は、カルシウム飽和条件下で6ミリ秒の時定数でCa2+イオン濃度の瞬間的な増加を検出するのに十分なほど急速である。光の総量は、タンパク質量およびCa2+濃度に比例する。それ故、任意の所定の時点において放射される光の量をカルシウム濃度に較正することが可能である。研究により、エクオリンのみでは、光子放射レベルが弱いために、単一細胞および細胞下レベルで検出することは極めて困難である。 Aequorin has a low calcium binding affinity (Kd = 10 μM) and therefore should not have a major effect as a [Ca 2+ ] i buffer system and should not plate the Ca 2+ gradient. is there. The rate of signal generation is rapid enough to detect an instantaneous increase in Ca 2+ ion concentration with a time constant of 6 milliseconds under calcium saturation conditions. The total amount of light is proportional to the amount of protein and the Ca 2+ concentration. It is therefore possible to calibrate the amount of light emitted at any given time to the calcium concentration. Studies have shown that aequorin alone is extremely difficult to detect at the single cell and subcellular levels due to weak photon emission levels.

Ca2+のエクオリン(Ca2+結合部位に特徴的な3個のEFハンド構造を有する)への結合は、コンフォメーション変化を誘起し、これにより、分子内反応を介してコエレンテラジンが酸化される。生成されたコエレンテラミドは励起状態にあり、基底状態に戻る時に青い光(最大:470nm)を放射する(Shimomura & Johnson、1978)。GFPを、柔軟性リンカーによりエクオリンに融合させると(第WO01/92300号)、Ca2+結合後にエクオリンにより獲得されるエネルギーは、青い光を放射することなく、活性化オキシルシフェリンからGFPへと移動する。GFPアクセプターフルオロフォアは、放射を伴わないエネルギー移動により、オキシコエレンテラジンにより励起される。その結果、励起したGFPがその基底状態に戻る時に、緑色にシフトした光(最大、509nm)が放射される。 Binding of Ca 2+ to aequorin (having the three EF hand structures characteristic of the Ca 2+ binding site) induces a conformational change that oxidizes coelenterazine through an intramolecular reaction. The generated coelenteramide is in an excited state and emits blue light (maximum: 470 nm) when returning to the ground state (Shimomura & Johnson, 1978). When GFP is fused to aequorin by a flexible linker (WO01 / 92300), the energy gained by aequorin after Ca 2+ binding is transferred from activated oxyluciferin to GFP without emitting blue light. . The GFP acceptor fluorophore is excited by oxycoelenterazine by energy transfer without radiation. As a result, when the excited GFP returns to its ground state, green-shifted light (maximum, 509 nm) is emitted.

本発明のGFP−エクオリンは、Ca2+感受性特性並びにエクオリンとGFPのそれぞれの蛍光を複合した、二機能リポータータンパク質である。該組換えタンパク質は、生きたサンプルまたは固定サンプルにおいて古典的なエピ蛍光により検出でき、生きたサンプルにおける生物発光の検出によりCa2+活性をモニタリングするために使用することができる。GFP−エクオリンポリペプチドは遺伝子によりコードされ、コード配列および/または発現ポリペプチドは、特定の細胞ドメインに局在させることができる。光タンパク質の機能を撹乱することなく、GFP−エクオリンポリペプチドを追加的にまたは代替的に遺伝子導入により生物に導入することができる。本発明の組換えポリペプチドをコードするこの核酸はまた、適切な転写および/または翻訳系の制御下で発現させることができる。本明細書で使用した「適切」は、所与の細胞型、所与の組織、所与の細胞区画(例えばミトコンドリア、葉緑体など)または所与の細胞ドメインにおいての本発明の組換えポリペプチドをコードする核酸の転写および/または翻訳に必要な要素を意味する。該特異的発現を達成するために、核酸は、例えば、細胞型特異的プロモーターまたは組織型特異的プロモーターの制御下で組換え、これにより、所定の組織または動物完全体内の単一細胞型または単一組織型におけるCa2+シグナル伝達の測定が可能となる。 The GFP-aequorin of the present invention is a bifunctional reporter protein that combines Ca 2+ sensitivity characteristics and fluorescence of aequorin and GFP. The recombinant protein can be detected by classical epifluorescence in live or fixed samples and can be used to monitor Ca 2+ activity by detecting bioluminescence in live samples. The GFP-Aequorin polypeptide is encoded by a gene, and the coding sequence and / or the expressed polypeptide can be localized to a particular cellular domain. The GFP-Aequorin polypeptide can additionally or alternatively be introduced into the organism by gene transfer without disturbing the function of the photoprotein. This nucleic acid encoding the recombinant polypeptide of the invention can also be expressed under the control of a suitable transcription and / or translation system. As used herein, “appropriate” refers to a recombinant polypeptide of the invention in a given cell type, given tissue, given cell compartment (eg, mitochondria, chloroplast, etc.) or given cell domain. It means an element necessary for transcription and / or translation of a nucleic acid encoding a peptide. To achieve the specific expression, the nucleic acid is recombined, for example, under the control of a cell type specific promoter or a tissue type specific promoter, whereby a single cell type or single in a given tissue or animal whole body. Measurement of Ca 2+ signaling in one tissue type is possible.

哺乳動物細胞におけるGFP−エクオリンタンパク質の化学発光活性および蛍光活性を評価した。サイトゾルCa2+増加は、以前に、単一細胞レベルで、冷却した増感CCD(結合電荷素子)カメラ(第WO01/92300号)を用いて画像化されている。単一細胞レベルでのGFP−エクオリンの本発明者らの研究により、プローブとして使用するための、この組換えポリペプチドの感受性が実証された(後記の結果を参照)。GFP−エクオリンは、Ca2+に対する親和性が低いために、局所Ca2+シグナル伝達を有意に妨害しない。それ故、GFP−エクオリンは、細胞内Ca2+活性の生物発光リポーターであり、単一細胞、組織切片、または生きた動物における動的変化を追跡するために使用できる。GFP蛍光はまた、価値ある遺伝子発現リポーターであり、細胞内位置決定マーカーである。さらに、生物発光分子は、光を発生するために化学的エネルギーを利用するため、放射エネルギーの入光を必要としない。したがって、実質的にシグナルのバックグラウンドはない。 The chemiluminescent and fluorescent activities of GFP-Aequorin protein in mammalian cells were evaluated. The cytosolic Ca 2+ increase has previously been imaged at the single cell level using a cooled sensitized CCD (coupled charge device) camera (WO 01/92300). Our study of GFP-Aequorin at the single cell level demonstrated the sensitivity of this recombinant polypeptide for use as a probe (see results below). GFP- aequorin, due to low affinity for Ca 2+, it does not significantly interfere with the local Ca 2+ signaling. GFP-Aequorin is therefore a bioluminescent reporter of intracellular Ca 2+ activity and can be used to track dynamic changes in single cells, tissue sections, or live animals. GFP fluorescence is also a valuable gene expression reporter and intracellular localization marker. Furthermore, since bioluminescent molecules use chemical energy to generate light, they do not require incident radiant energy. Thus, there is virtually no signal background.

これに対し、蛍光ダイは、排他的に細胞下ドメインに局在化させることができない。他方でカメレオンは、遺伝子的に標的化できる。これらのリポーターは、一般的に、信号雑音比が低く、長期画像化は、光毒性および光退色に関連した問題により困難である。これにより、長期におよぶ動的変化を可視化するために、例えば、学習および記憶、発達および心リズムの研究においてこれらのプローブを使用することは制限される。蛍光は、放射エネルギーを必要とし、これにより光退色、光毒性、自己蛍光、および高いバックグラウンドシグナルが発生する。蛍光分子を励起するために、外部光源が必要である。励起光が組織を通る時に吸収され蛍光分子を励起する。同様に、放射光が組織を通って検出された場合には、同じことが起こるだろう。さしあたり、インビボでの非侵襲的な動物完全体の画像化は、主に生物発光リポーターに限定されている。   In contrast, fluorescent dyes cannot be localized exclusively in the subcellular domain. On the other hand, chameleons can be targeted genetically. These reporters generally have a low signal-to-noise ratio and long-term imaging is difficult due to problems associated with phototoxicity and photobleaching. This limits the use of these probes, for example in learning and memory, development and cardiac rhythm studies, to visualize long-term dynamic changes. Fluorescence requires radiant energy, which generates photobleaching, phototoxicity, autofluorescence, and a high background signal. An external light source is required to excite the fluorescent molecules. When the excitation light passes through the tissue, it is absorbed and excites the fluorescent molecule. Similarly, the same will occur if the emitted light is detected through tissue. For the time being, non-invasive whole animal imaging in vivo is mainly limited to bioluminescent reporters.

他の関連技術:
電気生理的記録は、マイクロピペットが近づける細胞体または大きな樹状突起領域に限定される。
Other related technologies:
Electrophysiological recording is limited to the cell body or large dendritic area that the micropipette approaches.

Yusteらは、2つのニューロン間または複数のニューロン間の接続の光学的検出に関連する「後続の」ニューロンの活性化を検出するための、蛍光指示物質の使用を記載している(Yusteら、2003)。しかし、この手法は、これらの蛍光指示物質が、遺伝子標的できないため、短期または低速度撮影の画像化適用にのみ有用であるという欠点がある。特に、(1)非選択的染色および生理的温度での短時間後の細胞からのダイ(dye)の漏出問題、(2)光励起が必要とされることにより、生きた(または固定された)解離細胞培養液または組織サンプルに引き起こされる光退色および光動的傷害により、長期の動的画像化が制限される、(3)蛍光ダイによる局所Ca2+動態または高濃度Ca2+のミクロドメインの画像化は困難であり、光学顕微鏡技術により提供される空間的解像度の限界を下回る。 Yuste et al. Describe the use of fluorescent indicators to detect activation of “subsequent” neurons associated with optical detection of connections between two neurons or between neurons (Yuste et al., 2003). However, this approach has the disadvantage that these fluorescent indicators are only useful for short-term or time-lapse imaging applications since they cannot be gene targeted. In particular, (1) non-selective staining and dye leakage problems from cells after a short time at physiological temperature, (2) live (or fixed) by requiring photoexcitation Long-term dynamic imaging is limited by photobleaching and photodynamic injury caused by dissociated cell cultures or tissue samples. (3) Local Ca 2+ dynamics or high-concentration Ca 2+ microdomain images by fluorescent dye Is difficult and falls below the limit of spatial resolution provided by optical microscopy techniques.

電圧感受性ダイは、「未処置(intact)中枢神経系における多ニューロン活性」をモニタリングするための有用な技術として考察されている(Wuら、1998)。これらのプローブは蛍光性であり、それ故、Ca2+感受性蛍光ダイで考察されるのと同じ制限を受ける(論評についてはKnopfelら、2003を参照)。遺伝子的にコード可能な形態も開発されているが(Siegel&Isacoff、1997)、信号雑音比が低い。 Voltage sensitive dyes are considered as a useful technique for monitoring “multi-neuronal activity in the intact central nervous system” (Wu et al., 1998). These probes are fluorescent and are therefore subject to the same limitations as discussed for Ca 2+ sensitive fluorescent dyes (see Knofpel et al., 2003 for review). Genetically codeable forms have also been developed (Siegel & Isacoff, 1997), but the signal to noise ratio is low.

「カメレオン」は、カルモジュリン結合配列により共有結合的に連結した2個のGFPからなる、遺伝子的にコードされているCa2+感受性蛍光プローブに属する。カメレオンは一般的に信号雑音比が低く、長期画像化は、光毒性および光退色に関連した問題により困難である。このプローブの標的化は、ミトコンドリアマトリックスに(Fillipinら、2003)、小胞体腔に(Varadi & Rutter、2002)、大きな濃い中心の分泌小胞の表面に、フォグリンとして知られる膜貫通タンパク質との融合により行なわれる(Emmanouilidouら、1999)。 “Chameleon” belongs to a genetically encoded Ca 2+ sensitive fluorescent probe consisting of two GFPs covalently linked by a calmodulin binding sequence. Chameleons generally have a low signal to noise ratio and long term imaging is difficult due to problems associated with phototoxicity and photobleaching. Targeting this probe is a fusion with a transmembrane protein known as fogrin on the surface of a large, dense secretory vesicle in the mitochondrial matrix (Fillipin et al., 2003), in the endoplasmic reticulum cavity (Varadi & Rutter, 2002). (Emmanouilidou et al., 1999).

本発明は、シナプス伝達に関連したカルシウムシグナル伝達ミクロドメインを検出し、リアルタイムで単一細胞型(ニューロンおよびニューロンネットワーク)並びに他の器官および組織におけるカルシウム動態を可視化するための、単一細胞型(ニューロンおよびニューロン個体群を含む)の蛍光/生物発光を複合した画像化を使用する新規手法を記載する。   The present invention detects single-cell types (neurons and neuronal networks) and calcium dynamics in other organs and tissues in real time to detect calcium signaling microdomains associated with synaptic transmission (single cell types ( A novel approach using combined fluorescence / bioluminescence imaging of neurons and neuronal populations) is described.

特に、本発明は、Ca2+ミクロドメインの検出に有用な組換えポリペプチドを提供する。該組換えポリペプチドは、細胞下ドメインに標的化できるペプチドまたはタンパク質に場合により融合させた、生物発光ポリペプチドを含む。本発明の1つの実施形態において、生物発光ポリペプチドには、カルシウムイオンに結合する化学発光ペプチドおよび蛍光ペプチドを含む。別の例において、該組換えポリペプチドは、カルシウムイオンに結合する化学発光ペプチドおよび該蛍光ペプチドからなる。該組換えポリペプチドはまた、化学発光ペプチド、蛍光ペプチド、およびリンカーからなり、場合によりさらに、細胞下ドメインに標的化できるペプチドまたはタンパク質に融合している。特定の実施形態において、該組換えポリペプチドは、化学発光ペプチド、蛍光ペプチド、および細胞下ドメインに標的化できるペプチドもしくはタンパク質からなる。別の例は、化学発光ペプチド、蛍光ペプチド、リンカー、および細胞下ドメインに標的化できるペプチドもしくはタンパク質からなる。 In particular, the present invention provides recombinant polypeptides useful for the detection of Ca 2+ microdomains. The recombinant polypeptide includes a bioluminescent polypeptide optionally fused to a peptide or protein that can be targeted to the subcellular domain. In one embodiment of the invention, the bioluminescent polypeptide includes chemiluminescent and fluorescent peptides that bind to calcium ions. In another example, the recombinant polypeptide consists of a chemiluminescent peptide that binds calcium ions and the fluorescent peptide. The recombinant polypeptide also consists of a chemiluminescent peptide, a fluorescent peptide, and a linker, optionally further fused to a peptide or protein that can be targeted to the subcellular domain. In certain embodiments, the recombinant polypeptide consists of a chemiluminescent peptide, a fluorescent peptide, and a peptide or protein that can be targeted to the subcellular domain. Another example consists of a chemiluminescent peptide, a fluorescent peptide, a linker, and a peptide or protein that can be targeted to the subcellular domain.

細胞下区画または細胞ミクロドメインへのGFP−エクオリン(GA)の標的化は、ペプチドシグナルまたは対象のペプチドもしくはタンパク質と融合させることにより可能となる。   Targeting of GFP-Aequorin (GA) to subcellular compartments or cellular microdomains is made possible by fusing with a peptide signal or peptide or protein of interest.

特定の実施形態によれば、本発明は、細胞区画、特にシナプス伝達に関連したカルシウムミクロドメインにおけるカルシウムシグナル伝達を検出するための、二機能蛍光/生物発光組換えタンパク質(GFP−エクオリン)の標的化および使用を記載する。本発明はまた、単一ニューロンおよびニューロン個体群などの単一細胞または細胞個体群におけるカルシウム動態の「リアルタイム」な光学的検出のための、これらの組換えポリペプチドの使用を記載する。これらの研究は、ニューロンにおけるこの組換えポリペプチドの使用を記載するが、このリポーターポリペプチドにより提供される感受性および他の重要な特徴を強調するためのものでもある。この組換えポリペプチドの使用は、確かに、ニューロンにおける使用に限定されない。GFP−エクオリンは、他の細胞型でも多大なる有用性があるが、確かに大半の動物、植物、細菌およびまた酵母、特にカルシウムシグナル伝達が重要であるあらゆる生物系においても有用性がある。   According to certain embodiments, the present invention targets bifunctional fluorescent / bioluminescent recombinant protein (GFP-Aequorin) to detect calcium signaling in cellular compartments, particularly calcium microdomains associated with synaptic transmission Describe the conversion and use. The invention also describes the use of these recombinant polypeptides for “real-time” optical detection of calcium dynamics in single cells or cell populations, such as single neurons and neuronal populations. These studies describe the use of this recombinant polypeptide in neurons, but are also to highlight the sensitivity and other important features provided by this reporter polypeptide. The use of this recombinant polypeptide is certainly not limited to use in neurons. GFP-Aequorin has great utility in other cell types, but certainly in most animals, plants, bacteria and also yeast, especially in any biological system where calcium signaling is important.

化学発光ペプチドの例は、エクオリンまたはエクオリン変異体である。好ましい実施形態において、変異エクオリンは、変異エクオリンAsp407→Alaのように、カルシウムイオンに対して、異なる、好ましくは低い親和性を有する。別の例において、h−コエレンテラジン類似体を使用してエクオリンタンパク質を再生する場合には、より高い親和性を示す場合もある。   An example of a chemiluminescent peptide is aequorin or an aequorin variant. In a preferred embodiment, the mutant aequorin has a different, preferably low affinity for calcium ions, such as mutant aequorin Asp407 → Ala. In another example, h-coelenterazine analogs may be used to regenerate aequorin protein, which may show higher affinity.

蛍光ペプチドの例は、緑色蛍光タンパク質(GFP)、GFP変種、またはGFP変異体である。このような変種は、異なる波長で光子を放射する特徴を有する。このようなGFP変種の例は、CFP(シアン蛍光タンパク質)、YFP(黄色蛍光タンパク質)、およびRFP(赤色蛍光タンパク質)である。   Examples of fluorescent peptides are green fluorescent protein (GFP), GFP variants, or GFP variants. Such variants have the characteristic of emitting photons at different wavelengths. Examples of such GFP variants are CFP (cyan fluorescent protein), YFP (yellow fluorescent protein), and RFP (red fluorescent protein).

化学発光ペプチドまたは蛍光ペプチドの変異体または変種は、本明細書では、参照配列を参照して置換、欠失、または付加を有する配列として定義される。アミノ酸置換は、保存的、半保存的、または非保存的であってもよい。   A variant or variant of a chemiluminescent or fluorescent peptide is defined herein as a sequence having a substitution, deletion, or addition with reference to a reference sequence. Amino acid substitutions may be conservative, semi-conservative, or non-conservative.

それ故、特定の組換えポリペプチドは、リンカーを含むまたは含まない、エクオリンおよびGFP、特に融合ポリペプチドGFP−エクオリンからなる。本発明の範囲内には、シアン蛍光タンパク質とエクオリンの融合物(CFP−エクオリン)、黄色蛍光タンパク質とエクオリンの融合物(YFP−エクオリン)、赤色蛍光タンパク質とエクオリンの融合物(RFP)、またはこれらのいずれかの組合せを含む3重融合物(例えば、RFP−YFP−エクオリン)、並びに、GFP−エクオリンの赤色にシフトした形態であるか、または、リポータータンパク質の明度、安定性、および/または成熟度を向上させる変異を有する、元来のGFP−エクオリンの変異体または変種が含まれる。   Thus, a particular recombinant polypeptide consists of aequorin and GFP, in particular the fusion polypeptide GFP-Aequorin, with or without a linker. Within the scope of the present invention, a cyan fluorescent protein and aequorin fusion (CFP-Aequorin), a yellow fluorescent protein and aequorin fusion (YFP-Aequorin), a red fluorescent protein and aequorin fusion (RFP), or these Triple fusions comprising any combination of (eg, RFP-YFP-Aequorin), as well as the red-shifted form of GFP-Aequorin, or the lightness, stability, and / or maturity of the reporter protein Included are variants or variants of the original GFP-Aequorin that have mutations that improve the degree.

本発明はまた、エクオリン、GFP、およびリンカー、特にペプチドリンカーからなる組換えポリペプチドを提供する。特定の組換えポリペプチドにおいて、該化学発光ペプチドはエクオリンであり、蛍光ペプチドはGFPであり、エクオリンとGFPは、化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)を可能とするペプチドリンカーにより連結されている。CRETを可能とするペプチドリンカーは、好ましくは4〜63アミノ酸、特に14〜50アミノ酸を含むかまたはからなる。特定の実施形態において、このようなペプチド配列は、配列[Gly−Gly−Ser−Gly−Ser−Gly−Gly−Gln−Ser]を含むかまたはからなり、ここでのnは1〜5であり、好ましくはnは1であるか、またはnは5である。 The invention also provides a recombinant polypeptide consisting of aequorin, GFP, and a linker, particularly a peptide linker. In a particular recombinant polypeptide, the chemiluminescent peptide is aequorin, the fluorescent peptide is GFP, and aequorin and GFP are linked by a peptide linker that allows chemiluminescence resonance energy transfer (CRET). Peptide linkers enabling CRET preferably comprise or consist of 4 to 63 amino acids, in particular 14 to 50 amino acids. In certain embodiments, such a peptide sequence comprises or consists of the sequence [Gly-Gly-Ser-Gly-Ser-Gly-Gly-Gln-Ser] n , where n is 1-5 Preferably n is 1 or n is 5.

本発明の組換えポリペプチドの別の特定の実施形態において、細胞下ドメインに標的化させることのできるペプチドまたはタンパク質は、シナプトタグミン、PSD95、チトクロムcオキシダーゼのサブユニットVIII、および免疫グロブリン重鎖またはその断片、例えばN末端断片から選択される。   In another specific embodiment of the recombinant polypeptide of the invention, the peptide or protein that can be targeted to the subcellular domain is synaptotagmin, PSD95, cytochrome c oxidase subunit VIII, and an immunoglobulin heavy chain or its It is selected from fragments, such as N-terminal fragments.

本発明はまた、本発明のポリペプチドをコードする組換えポリヌクレオチドも提供する。   The present invention also provides a recombinant polynucleotide encoding a polypeptide of the present invention.

さらに、本発明は、本発明のポリヌクレオチドを含むベクター、および、該組換えポリヌクレオチドもしくは該ベクターを含む宿主細胞も提供する。該細胞は、例えば、真核細胞もしくは原核細胞、例えば動物細胞、植物細胞、細菌、または酵母であってもよい。   Furthermore, the present invention also provides a vector comprising the polynucleotide of the present invention and a host cell comprising the recombinant polynucleotide or the vector. The cell may be, for example, a eukaryotic cell or a prokaryotic cell, such as an animal cell, a plant cell, a bacterium, or a yeast.

本発明は、生物系におけるCa2+動態の光学的検出法に関し、該方法は、該生物系に存在する、蛍光タンパク質に融合または連結した化学発光タンパク質を含むかまたはからなる、本発明の組換えCa2+感受性ポリペプチドにより放射される光子をモニタリングすることを含む。本出願に記載した任意のポリペプチドを、該検出法の実施に使用できる。この方法は、細胞内Ca2+シグナル伝達または細胞間の伝達を検出するためのCa2+シグナル伝播の光学的検出に有用である。 The present invention relates to a method for optical detection of Ca 2+ kinetics in a biological system, said method comprising or consisting of a chemiluminescent protein fused or linked to a fluorescent protein present in said biological system. Monitoring the photons emitted by the Ca 2+ sensitive polypeptide. Any polypeptide described in this application can be used to perform the detection method. This method is useful for optical detection of Ca 2+ signal propagation to detect intracellular Ca 2+ signaling or intercellular communication.

該方法は、光子放射をモニタリングするために、様々な生物系において、インビトロで細胞もしくは細胞群において、インビボで本発明の該組換えポリペプチドを発現している動物もしくは植物において、または生体外でトランスジェニック動物もしくは植物の組織もしくは細胞群において行なうことができる:   The method can be used to monitor photon emission in various biological systems, in cells or groups of cells in vitro, in animals or plants expressing the recombinant polypeptide of the invention in vivo, or in vitro. It can be performed in a tissue or cell group of a transgenic animal or plant:

該方法は、光子放射のモニタリングの前に、該組換えポリペプチドまたは該組換えポリペプチドをコードするポリヌクレオチドを生物系に投与することを含む。動物完全体系において、該組換えポリペプチドまたはそれをコードする核酸(または対応するベクター)を、好ましくは、静脈内、腹腔内、または筋肉内注射により投与する。本発明の組換えポリペプチドをコードする核酸の投与は、任意の適切な手段、特に組換えベクター、特に組換えウイルスベクターにより行なうことができる。本発明の特定の実施形態において、組換えポリペプチドをコードする核酸により特に形質転換されている、トランスジェニック非ヒト動物またはトランスジェニック植物を提供する。形質転換は、一過性であってもまたは確定的であってもよい。この場合、本発明の組換えポリペプチドは、植物または動物の改変されたゲノムから発現される。   The method includes administering the recombinant polypeptide or a polynucleotide encoding the recombinant polypeptide to a biological system prior to monitoring of photon emission. In the complete animal system, the recombinant polypeptide or nucleic acid encoding it (or the corresponding vector) is preferably administered by intravenous, intraperitoneal, or intramuscular injection. Administration of the nucleic acid encoding the recombinant polypeptide of the invention can be performed by any suitable means, in particular a recombinant vector, in particular a recombinant viral vector. In certain embodiments of the invention, transgenic non-human animals or plants are provided that are specifically transformed with a nucleic acid encoding a recombinant polypeptide. Transformation may be transient or deterministic. In this case, the recombinant polypeptide of the present invention is expressed from a modified genome of a plant or animal.

該組換えポリペプチドの発現および/または局在は、トランスジェニック植物または動物のゲノムから発現させる場合、特定の組織、単一細胞型(例えば神経細胞、心臓細胞、または肝臓細胞)または細胞区画もしくはドメイン(例えばミトコンドリアまたは葉緑体)に限定することができる。   The expression and / or localization of the recombinant polypeptide, when expressed from the genome of a transgenic plant or animal, is a specific tissue, single cell type (eg, neuronal cell, heart cell, or liver cell) or cell compartment or It can be limited to a domain (eg mitochondrion or chloroplast).

該方法はまた、光子放射のモニタリングの前に、生物発光および/または蛍光タンパク質の活性化を可能とする分子の投与を含むことができる。GFP−エクオリンリポータータンパク質において、該方法は、エクオリンの活性化を可能とする条件および濃度において、生物系へのコエレンテラジンの投与を含む。エクオリン/コエレンテラジン系は、当該技術分野において開示されている(Shimomura、1991)。   The method can also include administration of a molecule that enables bioluminescence and / or activation of a fluorescent protein prior to monitoring of photon emission. In the GFP-Aequorin reporter protein, the method involves administration of coelenterazine to the biological system in conditions and concentrations that allow activation of the aequorin. The aequorin / coelenterazine system has been disclosed in the art (Shimomura, 1991).

特定の実施形態において、本発明は、細胞下レベルでCa2+を検出または定量する方法を提供する。該方法は、インビボで、宿主細胞において、特に非ヒト動物において、本発明のポリヌクレオチドによりコードされる本発明の組換えポリペプチドを発現させ、Ca2+の存在を可視化することを含む。場合により、Ca2+は、半定量してもよい。好ましい実施形態において、検出は、いわゆる「リアルタイム」検出である。 In certain embodiments, the present invention provides methods for detecting or quantifying Ca 2+ at the subcellular level. The method comprises expressing the recombinant polypeptide of the present invention encoded by the polynucleotide of the present invention in vivo, in a host cell, particularly in a non-human animal, and visualizing the presence of Ca 2+ . In some cases, Ca 2+ may be semi-quantified. In a preferred embodiment, the detection is so-called “real time” detection.

本発明はまた、GFP蛍光検出による細胞群、組織、細胞、または細胞区画もしくはドメインの発達形態または機能の特徴付け、および本発明の光学的検出法による該細胞群、該組織、該細胞または該細胞区画もしくはドメインにおけるCa2+動態の特徴付けを場合により含む、生理的および/または病的過程の同定法を提供する。 The invention also characterizes the developmental form or function of a cell group, tissue, cell, or cell compartment or domain by GFP fluorescence detection, and the cell group, tissue, cell or the cell by the optical detection method of the invention. Methods for identifying physiological and / or pathological processes are provided, optionally including characterization of Ca 2+ kinetics in a cellular compartment or domain.

本発明はさらに、既知の正常範囲を逸脱したカルシウム流入またはシグナル伝達の変動を含む場合がある、生理的および/または病的過程の同定法に関し、該方法は、本発明の適用によるCa2+動態の光学的検出を含む。あるいは、Ca2+動態の該光学的検出はむしろ、プロトコルの一部として、このような過程の同定のために、特に診断またはモニタリングを行なうために、例えば治療応答をモニタリングするために含めることができる。 The present invention further relates to a method for identifying physiological and / or pathological processes that may include variations in calcium influx or signaling that deviate from a known normal range, said method comprising Ca 2+ kinetics according to the application of the present invention. Including optical detection. Alternatively, the optical detection of Ca 2+ kinetics can rather be included as part of the protocol for the identification of such processes, in particular for performing diagnostics or monitoring, for example for monitoring therapeutic responses. .

さらに、本発明は、本発明の宿主細胞を含む、トランスジェニック非ヒト動物または植物を提供する。   Furthermore, the present invention provides a transgenic non-human animal or plant comprising the host cell of the present invention.

本発明はまた、上記した遺伝子的にコードされた本発明の組換えポリペプチドを発現している、上記の光学的検出法に使用できる、トランスジェニック非ヒト動物を提供する。特定の実施形態において、該組換えポリペプチドは、ポリヌクレオチドにより、場合により該トランスジェニック動物のゲノムに挿入された適切な転写および翻訳系の制御下でコードされている。この非ヒト動物は、脊椎動物、特に哺乳動物、例えば霊長類またはげっ歯類であってもよい。特定の実施形態において、この非ヒト動物は、ラット、ウサギ、またはマウスである。   The present invention also provides a transgenic non-human animal that can be used in the above-described optical detection method expressing the above-described genetically encoded recombinant polypeptide of the present invention. In certain embodiments, the recombinant polypeptide is encoded by a polynucleotide, optionally under the control of appropriate transcriptional and translational systems inserted into the genome of the transgenic animal. The non-human animal may be a vertebrate, especially a mammal, such as a primate or rodent. In certain embodiments, the non-human animal is a rat, rabbit, or mouse.

本発明はまた、本発明のトランスジェニック非ヒト動物の作製法に関し、
−DNA構造物(DNA construct)を、非ヒト動物の胚幹細胞に導入すること、ここで、該DNA構造物は、カルシウム濃度に感受性の組換えポリペプチドをコードする配列、いわゆる導入遺伝子を含むかまたはからなり、該組換えポリペプチドは、蛍光タンパク質に連結させた化学発光タンパク質を含むかまたはからなり、該導入遺伝子は、プロモーターおよび場合により条件的発現配列の制御下に置かれている、
−該DNA構造物が該胚幹細胞のゲノムに挿入されている、陽性クローンを選択すること、
−該陽性クローンを胚盤胞に注入し、キメラ胚盤胞を回収すること、そして
−該キメラ胚盤胞を育成して、非ヒトトランスジェニック動物を得ること
を含む。
The present invention also relates to a method for producing the transgenic non-human animal of the present invention,
Introducing a DNA construct into a non-human animal embryonic stem cell, where the DNA construct contains a sequence encoding a recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration, a so-called transgene? The recombinant polypeptide comprises or consists of a chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein, the transgene being placed under the control of a promoter and optionally a conditional expression sequence,
-Selecting a positive clone in which the DNA construct is inserted in the genome of the embryonic stem cell;
Injecting the positive clone into a blastocyst and recovering the chimeric blastocyst, and growing the chimeric blastocyst to obtain a non-human transgenic animal.

組換えポリペプチドの発現が条件的である特定の実施形態において、以下のトランスジェニック非ヒト動物の作製法を使用できる:
−DNA構造物を、非ヒト動物の胚幹細胞に導入し、ここで、該DNA構造物は、カルシウム濃度に感受性の組換えポリペプチドをコードしている配列、いわゆる導入遺伝子を含むかまたはからなり、該組換えポリペプチドは、蛍光タンパク質に連結させた化学発光タンパク質を含むかまたはからなり、該導入遺伝子は、プロモーターおよび場合により条件的発現配列の制御下に置かれている、
−該DNA構造物が該胚幹細胞のゲノムに挿入されている、陽性クローンを選択し、
−該陽性クローンを胚盤胞に注入し、キメラ胚盤胞を回収し、
−該キメラ胚盤胞を育成して、非ヒトトランスジェニック動物を得、
−得られた第一の該トランスジェニック非ヒト動物を、該組換えポリペプチドの発現が必要とされる組織または細胞において、条件的発現配列に作用するエンドヌクレアーゼを発現している動物と交雑させ、
−特定の組織または細胞において該組換えポリペプチドを発現しているトランスジェニック非ヒト動物を回収する。
In certain embodiments in which expression of the recombinant polypeptide is conditional, the following methods of producing transgenic non-human animals can be used:
Introducing the DNA construct into a non-human animal embryonic stem cell, wherein the DNA construct comprises or consists of a sequence encoding a recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration, a so-called transgene. The recombinant polypeptide comprises or consists of a chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein, the transgene being placed under the control of a promoter and optionally a conditional expression sequence;
-Selecting a positive clone in which the DNA construct has been inserted into the genome of the embryonic stem cell;
Injecting the positive clone into a blastocyst and collecting the chimeric blastocyst,
-Breeding the chimeric blastocyst to obtain a non-human transgenic animal;
Crossing the resulting first transgenic non-human animal with an animal expressing an endonuclease acting on a conditional expression sequence in a tissue or cell in which the expression of the recombinant polypeptide is required. ,
-Recovering transgenic non-human animals expressing the recombinant polypeptide in specific tissues or cells.

本明細書で使用した「条件的」は、本発明のカルシウム濃度に感受性の組換えタンパク質が、非ヒトトランスジェニック動物の全発達期間中の選択された時点で発現されていることを意味する。それ故、特定の実施形態において、組換えタンパク質は、リコンビナーゼが、条件的発現配列の組換えを触媒した場合、例えばCre酵素が、Lox認識部位の組換えを触媒した場合に発現される。   “Conditional” as used herein means that a recombinant protein sensitive to calcium concentration of the present invention is expressed at selected time points during the entire development period of a non-human transgenic animal. Thus, in certain embodiments, a recombinant protein is expressed when a recombinase catalyzes recombination of a conditional expression sequence, eg, a Cre enzyme catalyzes recombination of a Lox recognition site.

Creなどのリコンビナーゼまたはエンドヌクレアーゼの発現は、該リコンビナーゼをコードする核酸の上流に位置するプロモーターにより空間的時間的に調節することができる。該プロモーターは、例えば肝臓細胞、心臓細胞または脳細胞におけるリコンビナーゼの発現を可能とする、細胞特異的プロモーターであってもよい。   Expression of a recombinase or endonuclease such as Cre can be spatially and temporally regulated by a promoter located upstream of the nucleic acid encoding the recombinase. The promoter may be a cell-specific promoter that allows recombinase expression in, for example, liver cells, heart cells or brain cells.

特定の実施形態において、リコンビナーゼの発現は、天然分子または合成分子により活性化されてもよい。それ故、リガンド依存的キメラCreリコンビナーゼ、例えばCreERTまたはCreERT2リコンビナーゼを使用できる。それは、エストロゲン受容体の改変されたホルモン結合ドメインに融合したCreからなる。CreERTリコンビナーゼは不活性であるが、合成エストロゲン受容体リガンドのタモキシフェンにより活性化することができ、それ故、Cre活性の外部から時間的に制御することが可能となる。実際、CreERTリコンビナーゼの組織特異的発現を、そのタモキシフェン依存的活性である条件的発現部位(例えばLox部位)の組換えと合わせることにより、タモキシフェンを動物に投与することにより空間的にも時間的にもDNAを制御することができる。   In certain embodiments, recombinase expression may be activated by natural or synthetic molecules. Therefore, ligand-dependent chimeric Cre recombinases such as CreERT or CreERT2 recombinases can be used. It consists of Cre fused to a modified hormone binding domain of the estrogen receptor. CreERT recombinase is inactive but can be activated by the synthetic estrogen receptor ligand tamoxifen, thus allowing temporal control from outside of Cre activity. Indeed, by combining tissue specific expression of CreERT recombinase with recombination of a conditional expression site that is its tamoxifen-dependent activity (eg, a Lox site), tamoxifen can be administered to animals both spatially and temporally. Can also control DNA.

本発明はまた、本発明の非ヒトトランスジェニック動物の子孫にも関する。これらの子孫は、本発明のトランスジェニック動物を、変異疾患動物またはモデルと交雑させることにより得られる場合がある。   The invention also relates to the progeny of the non-human transgenic animals of the invention. These offspring may be obtained by crossing a transgenic animal of the invention with a mutant disease animal or model.

本発明のさらなる実施形態において、Ca2+トランジェントをモデュレートする能力をアッセイするために、対象の分子をスクリーニングする方法を提供し、該方法は、
a)カルシウム濃度に感受性の組換えポリペプチドを発現しているトランスジェニック動物において、本発明の光学的検出法により、Ca2+の動態を検出すること、
b)対象の分子を、該トランスジェニック動物に投与または該トランスジェニック動物において発現させること、
c)ステップa)を繰り返すこと、
d)注入前後のCa2+の位置、動態、場合により量を比較すること、ここで、Ca2+の位置、動態、および/または量の変動は、該分子がCa2+トランジェントをモデュレート(modulate)できることを示唆している、
を含む。
In a further embodiment of the invention, there is provided a method of screening a molecule of interest to assay the ability to modulate Ca 2+ transients, the method comprising:
a) detecting Ca 2+ kinetics in a transgenic animal expressing a recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration by the optical detection method of the present invention,
b) administering or expressing in the transgenic animal the molecule of interest;
c) repeating step a);
d) the injection position of the front and rear of the Ca 2+, kinetics, optionally comparing the amount, where the position of Ca 2+, kinetics, and / or the amount of variation that molecule is a Ca 2+ transients can modulate (the modulate) It suggests,
including.

本発明はまた、インビボで非ヒト動物において、GFP、エクオリン、該組換えペプチドを細胞ドメインに標的化させることのできるペプチドもしくはタンパク質をコードするポリヌクレオチドにより発現されることのできる組換えペプチド組成物を提供する。該ペプチド組成物は、対象の細胞、細胞群、細胞下ドメインまたは組織における、Ca2+変化の可視化または定量に関与している。 The present invention also provides a recombinant peptide composition that can be expressed in vivo in a non-human animal by GFP, aequorin, a peptide or protein-encoding polynucleotide capable of targeting the recombinant peptide to the cellular domain. I will provide a. The peptide composition is involved in the visualization or quantification of Ca 2+ changes in a cell, group of cells, subcellular domain or tissue of interest.

本発明は、生物発光リポーターであるGFP−エクオリンを、シナプス伝達において重要なミクロドメインを含む様々なミクロドメインに遺伝子的に標的化させる手段を提供する。GFP−エクオリンは、優れた信号雑音比を有し、光タンパク質機能を撹乱することなく、タンパク質または細胞区画に標的化させることができる。それ故、本発明は、分子、細胞、組織、および動物完全体レベルにおける、または、解離細胞培養物、切り出した組織、急性および器官型培養物もしくは生きた動物における、局在Ca2+動態の「リアルタイム」可視化を可能とする。 The present invention provides a means to genetically target the bioluminescent reporter GFP-Aequorin to a variety of microdomains, including microdomains important in synaptic transmission. GFP-Aequorin has an excellent signal-to-noise ratio and can be targeted to proteins or cell compartments without disrupting photoprotein function. Thus, the present invention provides for “local Ca 2+ kinetics” at the molecular, cellular, tissue, and whole animal level, or in dissociated cell cultures, dissected tissue, acute and organotypic cultures or live animals. Enables “real time” visualization.

本発明のリポーターは、細胞下または高濃度Ca2+ミクロドメインの選択的検出を可能とする。それ故、遺伝子的にコードされた生物発光Ca2+リポーターのGFP−エクオリンは、シナプス伝達を光学的に検出するために、また、哺乳動物神経系における機能的神経回路のマッピングを容易にするために使用できる。 The reporter of the present invention enables selective detection of subcellular or high concentration Ca 2+ microdomains. Therefore, the genetically encoded bioluminescent Ca 2+ reporter GFP-Aequorin is intended to optically detect synaptic transmission and to facilitate the mapping of functional neural circuits in the mammalian nervous system. Can be used.

動物完全体の生物発光による画像化は、生きた未処置の動物における生物学的過程をモニタリングするための、非常に重要な非侵襲的戦略を示す。現在までに、生物発光リポーターを使用してインビボで細胞活性の画像化を記載した適用は、ほぼ専ら、ホタルのルシフェリン−ルシフェラーゼ系を用いて行なわれてきた。該手法は、特定の生物学的過程に連関した内部発生光について、ルシフェラーゼリポーター系を利用する。生物発光反応は、通常、有機基質(ルシフェリンまたは発色団)の酸化を伴う。ルシフェラーゼを発現する細胞が、基質のルシフェリンと合体すると、光が発生する(極大は560nm)。ATPおよびOの両方が、光反応が起こるのに必要とされる。これらのリポーターは、より長い波長で赤色にシフトした光を発生するように開発されたので、生じる光は、組織により吸収される度合いが低く、これによりこの技術は、腫瘍進行または感染を追跡するのに理想的である。 Whole animal bioluminescence imaging represents a very important non-invasive strategy for monitoring biological processes in living untreated animals. To date, applications describing the imaging of cellular activity in vivo using bioluminescent reporters have been almost exclusively performed using the firefly luciferin-luciferase system. The approach utilizes a luciferase reporter system for internally generated light linked to a specific biological process. Bioluminescent reactions usually involve the oxidation of an organic substrate (luciferin or chromophore). When cells expressing luciferase combine with the substrate luciferin, light is generated (maximum is 560 nm). Both ATP and O 2 are required for the photoreaction to occur. Since these reporters were developed to produce red-shifted light at longer wavelengths, the resulting light is less absorbed by the tissue, which allows the technique to track tumor progression or infection Ideal for.

エクオリンを基礎とした系は、BLIのためのルシフェラーゼを基礎としたリポーター系に代わる適用を提供する。Ca2+および基質のコエレンテラジンの存在下で光が発生する。ルシフェリン−ルシフェラーゼ系とは対照的に、GFP−エクオリンのCa2+依存的光放射(極大515nm)は、外来性のOを必要としない。これに対し、分子状Oが堅く結合しており、それ故、空気の完全な不在下で発光反応が起こることが可能である。それ故、光タンパク質の生物発光反応速度は、酸素濃度により影響を受けない。エクオリンの第二の特徴は、カルシウムの添加により、光強度を100万倍以下まで増加させることができることである。それ故、コエレンテラジン−GFP−エクオリン系は、Ca2+活性の特異的解析を可能とし、補因子のATPおよびMg2+を必要としないので、リポーターとしてのホタル系よりも適切である可能性がある。ルシフェラーゼ反応により赤色の光が放射されるので、コエレンテラジン−GFP−エクオリン系は深部組織解析により適しており、それ故、感染過程または腫瘍進行を追跡するのに理想的である。しかし、エクオリンを基礎とした系は、空間的および微細な時間的解像度で、より表在組織部位で、Ca2+依存的生物学的過程をモニタリングするために使用できる(哺乳動物皮質、骨格筋または皮膚におけるCa2+シグナルの解析)。新しい装置の開発により、GFP−エクオリン−コエレンテラジン系は、深部組織層において、ルシフェラーゼ−ルシフェリンと同じように画像化できる。それ故、インビボでの動物完全体のGFP−エクオリン−コエレンテラジン系の画像化により、ヒトの生態および疾患の生きた動物モデルにおける動的生物学的過程を調べることが可能となる。 The aequorin-based system offers an alternative to the luciferase-based reporter system for BLI. Light is generated in the presence of Ca 2+ and the substrate coelenterazine. In contrast to the luciferin-luciferase system, the Ca 2+ -dependent light emission of GFP-Aequorin (maximum 515 nm) does not require exogenous O 2 . In contrast, molecular O 2 is tightly bound, and therefore it is possible for a luminescent reaction to occur in the complete absence of air. Therefore, the bioluminescence reaction rate of the photoprotein is not affected by the oxygen concentration. The second characteristic of aequorin is that the light intensity can be increased to 1 million times or less by adding calcium. Therefore, the coelenterazine-GFP-aequorin system may be more appropriate than the firefly system as a reporter because it allows specific analysis of Ca 2+ activity and does not require the cofactors ATP and Mg 2+ . Since the red light is emitted by the luciferase reaction, the coelenterazine-GFP-aequorin system is more suitable for deep tissue analysis and is therefore ideal for following the infection process or tumor progression. However, the aequorin-based system can be used to monitor Ca 2+ -dependent biological processes at more superficial tissue sites with spatial and fine temporal resolution (mammalian cortex, skeletal muscle or Analysis of Ca 2+ signal in skin). With the development of new devices, the GFP-Aequorin-Coelenterazine system can be imaged in the deep tissue layer in the same way as luciferase-luciferin. Therefore, in vivo imaging of the whole animal GFP-Aequorin-Coelenterazine system makes it possible to examine dynamic biological processes in human ecology and live animal models of disease.

本発明者らは、様々なGFP−エクオリンリポーターポリペプチドを発現するトランスジェニックマウスを開発した。本発明のこの組換えポリペプチドをコードする核酸の発現は、適切な転写および/または翻訳要素により駆動され、これは、優先的には該核酸の上流に位置するが、下流に位置していてもよい。   The inventors have developed transgenic mice that express various GFP-aequorin reporter polypeptides. Expression of the nucleic acid encoding this recombinant polypeptide of the invention is driven by appropriate transcriptional and / or translational elements, which are preferentially located upstream of the nucleic acid but located downstream. Also good.

これらのリポーターマウスは、他の遺伝子を基礎としていないまたは遺伝子を基礎としたリポーターより優れた数多くの利点を提供する。なぜなら、それは、生きたサンプルにおいて非侵襲的に複数の活性を報告でき、インビボで実現できるからである。好ましい実施形態は、ミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現するトランスジェニックマウスであり、これにより、ミトコンドリアCa2+活性を、生物発光画像化によりモニタリングでき、GFP蛍光を可視化して、リポーター発現の場所を決定し、特異的な形態学的特徴を研究できる。ミトコンドリア機能は、特に以下の病的過程における、細胞活性の有用なバイオセンサーである。 These reporter mice offer a number of advantages over other gene-based or gene-based reporters. This is because it can report multiple activities non-invasively in a living sample and can be realized in vivo. A preferred embodiment is a transgenic mouse that expresses GFP-aequorin targeted to mitochondria, whereby mitochondrial Ca 2+ activity can be monitored by bioluminescence imaging, GFP fluorescence can be visualized and reporter expression Determine location and study specific morphological features. Mitochondrial function is a useful biosensor of cellular activity, particularly in the following pathological processes:

GFP−エクオリンリポーターを発現するトランスジェニック動物は、診断を行なうために、または、新しい薬物をスクリーニングするために、または、前臨床試験における治療応答を評価するために使用できる。GFP−エクオリンリポーターを発現するトランスジェニック動物はまた、トランスジェニック疾患動物モデルと交雑させて、病的過程を研究することもできる。例えば、全ての細胞または選択された細胞型においてミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現するトランスジェニックマウスを、トランスジェニックアルツハイマー病マウスモデルと交雑させ、病的過程を評価したり、新しい診断を行なったり、または、前臨床試験における治療応答を評価できる。GFP−エクオリンリポーターを発現するトランスジェニック動物から得られた切り出した組織および/または解離細胞はまた、新しい薬物を発見するために、あるいは、既存薬物の活性を評価するために、あるいは、前臨床試験における治療応答を評価するために、あるいは、診断を行なうために、ハイスループットスクリーニングアッセイに適用できる。   Transgenic animals expressing the GFP-Aequorin reporter can be used to make a diagnosis, to screen for new drugs, or to evaluate a therapeutic response in preclinical studies. Transgenic animals expressing GFP-Aequorin reporter can also be crossed with transgenic disease animal models to study pathological processes. For example, transgenic mice expressing mitochondrial targeted GFP-aequorin in all cells or selected cell types can be crossed with a transgenic Alzheimer's disease mouse model to assess pathological processes or to make new diagnoses. Can be performed or evaluated for treatment response in preclinical studies. Excised tissue and / or dissociated cells obtained from transgenic animals expressing the GFP-Aequorin reporter can also be used to discover new drugs, to assess the activity of existing drugs, or to preclinical studies It can be applied to high-throughput screening assays to assess therapeutic response in or to make a diagnosis.

トランスジェニック動物の作製において解決すべき問題は、挿入した導入遺伝子の発現であり、それは、コードタンパク質の産生において十分に効率的でなければならない。これは、カルシウム濃度に感受性の組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチドまたは対応するDNA構造物を形質転換する動物のゲノムの転写活性領域に挿入することにより、あるいは、再構成HPRT遺伝子座などの正しい遺伝子発現が確実になされる特に好ましい環境を再構成することにより行なってもよい。挿入は、当業者に既知のあらゆる技術に頼り、特に相同的組換えにより行なう。   A problem to be solved in the production of transgenic animals is the expression of the inserted transgene, which must be sufficiently efficient in producing the encoded protein. This can be done by inserting a polynucleotide encoding a recombinant protein sensitive to calcium concentration or the corresponding DNA construct into the transcriptionally active region of the genome of the animal to be transformed, or by a correct gene such as a reconstituted HPRT locus. This may be done by reconfiguring a particularly favorable environment in which expression is ensured. Insertion relies on any technique known to the person skilled in the art, in particular by homologous recombination.

直面する別の問題は、組織、器官、または細胞型における、この組換えタンパク質の特異的発現である。これは、条件的発現配列および対応するリコンビナーゼ(例えばエンドヌクレアーゼ)を含む、組換え系を使用することにより達成できる。具体的な条件的発現配列は、Lox部位であり、対応するエンドヌクレアーゼはCreであり、これは、細胞または組織特異的プロモーターの制御下で優先的に発現される。   Another problem faced is the specific expression of this recombinant protein in tissues, organs or cell types. This can be achieved by using a recombinant system that includes a conditional expression sequence and a corresponding recombinase (eg, endonuclease). A specific conditional expression sequence is a Lox site and the corresponding endonuclease is Cre, which is preferentially expressed under the control of a cell or tissue specific promoter.

インビボでの本発明に記載のGFP−エクオリンの画像化は、非侵襲的であることが示され、生きた動物において機能を司る生理的過程、薬物動態、生体分子的過程の病的側面および他の側面をモニタリングするために使用できる。Ca2+の検出を使用して、様々な病態、薬物効果、および生理的過程を研究する際の、多くの異なる細胞シグナル伝達経路を評価しモニタリングできる。Ca2+の検出は、癌、感染過程、神経病的疾患、筋肉疾患(例えば筋ジストロフィー)を含む多くの病的容態において、また心臓血管疾患の処置および診断のために、有用な診断である。GFP−エクオリン技術はまた、全ての哺乳動物および他の動物、例えば虫(例えば線虫)、魚類(例えばゼブラフィッシュ)、カエル類(クセノプス属)およびハエ類(ショウジョウバエ属)に適用できる。 In vivo imaging of GFP-Aequorin according to the present invention has been shown to be non-invasive, physiological processes governing function in living animals, pharmacokinetics, pathological aspects of biomolecular processes and others Can be used for monitoring aspects of The detection of Ca 2+ can be used to evaluate and monitor many different cell signaling pathways when studying various pathologies, drug effects, and physiological processes. The detection of Ca 2+ is a useful diagnosis in many pathological conditions, including cancer, infectious processes, neurological diseases, muscular diseases (eg muscular dystrophy) and for the treatment and diagnosis of cardiovascular diseases. The GFP-Aequorin technology is also applicable to all mammals and other animals such as worms (eg nematodes), fish (eg zebrafish), frogs (Xenopus spp.) And flies (Drosophila spp.).

例えば、カルシウム画像化は、肝臓、心臓、または脳の活性をモニタリングするための代替的な手法を提供する。例えば、Ca2+シグナルは、ニューロンの電気活性に連関し、グリア細胞間、グリア細胞からニューロン、ニューロン間、またはニューロンからグリア細胞へのシグナル伝達(例えば、化学的およびギャップジャンクション結合)を介した活性の伝播に連関している。さらに、Ca2+は、多くの細胞内シグナル伝達経路に関与している。細胞ミクロドメインにおけるCa2+の空間時間的プロファイルは、重要なシグナル伝達経路の活性化を調節する。したがって、リポーターをナノドメインまたはミクロドメインに遺伝子的に局在させることにより、動物完全体の画像化の場合のように、空間的な解像がほとんどなされない場合でさえも、細胞事象をリアルタイムで分子レベルでモニタリングできる。以後に記載したのは、研究および開発適用におけるインビボ、生体外、およびインビトロでの画像化のための、多機能リポーターマウスである。 For example, calcium imaging provides an alternative technique for monitoring liver, heart, or brain activity. For example, Ca 2+ signals are linked to neuronal electrical activity and activity via signaling between glia cells, glia cells to neurons, between neurons, or neurons to glia cells (eg, chemical and gap junction junctions) Linked to the propagation of In addition, Ca 2+ is involved in many intracellular signaling pathways. The spatiotemporal profile of Ca 2+ in the cellular microdomain regulates the activation of key signaling pathways. Thus, by genetically localizing reporters in nanodomains or microdomains, cellular events can be detected in real time even when there is little spatial resolution, such as in whole animal imaging. Monitor at the molecular level. Described below are multifunctional reporter mice for in vivo, in vitro, and in vitro imaging in research and development applications.

材料および方法
標的化ベクターの作製(図1および2)
GAは、2つのタンパク質間に5回反復の柔軟性リンカーを含む、G5Aと称される、標的化されていないGFP−エクオリンを示す。GFP−エクオリン(GA)およびシナプトタグミン−G5A(SynGA)の作製は、以前に記載されている(WO01/92300)。GFP−エクオリンキメラをシナプス後ドメインに標的化するために、本発明者らは、PSD95のN末端領域とGAの融合物を創造した。この構造物では、PSD95遺伝子(図12)の全長を、pGA(C.N.C.M.I−2507、2000年6月22日に寄託)のHindIII/EcoRIにクローニングし、プラスミドPSDGAを得た。その後、以下の配列5’A ATT CGG TCC GGC GGG AGC GGA TCC GGC GGC CAG TCC CCG C’3(図11)からなる柔軟性リンカーを、PSD95とGFPの開始部位の間に加えた。
Materials and Methods Generation of targeting vectors (Figures 1 and 2)
GA represents an untargeted GFP-Aequorin, referred to as G5A, which contains a 5 repeat flexible linker between the two proteins. The generation of GFP-Aequorin (GA) and synaptotagmin-G5A (SynGA) has been previously described (WO01 / 92300). In order to target the GFP-Aequorin chimera to the postsynaptic domain, we created a fusion of the N-terminal region of PSD95 and GA. In this construct, the entire PSD95 gene (FIG. 12) was cloned into HindIII / EcoRI of pGA (CNCM I-1507, deposited on June 22, 2000) to obtain plasmid PSDGA. It was. A flexible linker consisting of the following sequence 5′A ATT CGG TCC GGC GGG AGC GGA TCC GGC GGC CAG TCC CCG C′3 (FIG. 11) was then added between PSD95 and the start site of GFP.

リポーター遺伝子を、チトクロムcオキシダーゼのサブユニットVIIIの切り出し可能な標的化配列を含むベクター(pShooter、インビトロジェン製)のPstI/XhoI部位にクローニングすることにより、プラスミドmtGAを得、GFP−エクオリンキメラ(GA)をミトコンドリアマトリックスに標的化させた(図12)。また、リーダー配列のVDJおよびCH1ドメインからなる免疫グロブリン(IgG)重鎖遺伝子のN末端領域に枠内でクローニングすることによりGAをER腔に標的化させた。IgG重鎖遺伝子のN末端領域のコード配列を、NheIおよびHindIIIを用いて、プラスミドerAEQmut(ご懇意によりJ Alvarez博士(Universidad de Valladolid、スペイン)により提供された)から取り出した。該遺伝子挿入断片を、pEGFP−C1ベクター(クロンテック製)中のG5A遺伝子のN末端に枠内で連結させ、プラスミドerGAを得た。   By cloning the reporter gene into the PstI / XhoI site of a vector (pShooter, manufactured by Invitrogen) containing a targeting sequence capable of excising the subunit VIII of cytochrome c oxidase, a plasmid mtGA was obtained, and a GFP-aequorin chimera (GA) Was targeted to the mitochondrial matrix (FIG. 12). In addition, GA was targeted to the ER cavity by cloning in frame to the N-terminal region of an immunoglobulin (IgG) heavy chain gene consisting of the VDJ and CH1 domains of the leader sequence. The coding sequence for the N-terminal region of the IgG heavy chain gene was removed from plasmid erAEQmut (contributed by Dr. J Alvarez (Universidad de Valladolid, Spain) with NheI and HindIII). The gene insert fragment was ligated in frame to the N-terminus of the G5A gene in the pEGFP-C1 vector (Clontech) to obtain plasmid erGA.

光タンパク質のCa2+結合親和性を低下させる変異(Asp407→Ala)(Kendallら、1992)が、PCRにより、各々の標的化GA構造物において作製され、プラスミドであるmtGAmut、erGAmut、SynGAmut、およびPSDGAmutを得た。全ての構造物は、ヒトサイトメガロウイルスプロモーター(pCMV)の制御下にある。全ての配列は、DNAシークエンスにより確認されている。 Mutations that reduce the Ca 2+ binding affinity of the photoprotein (Asp407 → Ala) (Kendall et al., 1992) were made in each targeted GA construct by PCR and the plasmids mtGAmut, erGAmut, SynGAmut, and PSDGAmut. Got. All constructs are under the control of the human cytomegalovirus promoter (pCMV). All sequences have been confirmed by DNA sequencing.

単一細胞生物発光研究(図5〜9)
培養液を、ガラス底の皿に入れ、ブラックボックスに据え付けた完全自動化倒立顕微鏡のステージアダプターに固定した。GFP−エクオリンを、2.5〜5μMのコエレンテラジンを用いて37℃で30分間かけて再構成した。SynGAでトランスフェクトさせておいた細胞とコエレンテラジンを共に室温でインキュベートし、再構成過程中の光タンパク質の消費を減少させた。細胞を、タイロード緩衝液で灌流した。NMDAの溶液を適用前に、細胞を、Mg2+の非存在下で1分間灌流した。記録は全て室温(22〜25℃)で行なった。顆粒状の外見を持たない位相の明るい10〜15μmの細胞体直径有する細胞を測定用に選択した。SynGAでトランスフェクトさせ野生型コエレンテラジンで再構成した細胞は、規則的に、静止状態で低レベルの生物発光活性を示した。活性は、均一のようであり、細胞体領域ではより明確のようであった。このことは、このように標的化したGAが、高濃度のCa2+を付与されたドメイン内にあることを示唆する。2つの場合において、PSDGAでトランスフェクトさせた細胞が、自発的活性を示し、これは樹状突起領域に局在していた。
Single-cell bioluminescence studies (Figures 5-9)
The culture solution was placed in a glass bottom dish and fixed on a stage adapter of a fully automated inverted microscope installed in a black box. GFP-Aequorin was reconstituted with 2.5-5 μM coelenterazine at 37 ° C. for 30 minutes. Cells that had been transfected with SynGA and coelenterazine were incubated together at room temperature to reduce photoprotein consumption during the reconstitution process. Cells were perfused with Tyrode's buffer. Cells were perfused for 1 minute in the absence of Mg 2+ prior to application of a solution of NMDA. All recordings were performed at room temperature (22-25 ° C.). Cells with a cell phase diameter of 10-15 μm with a bright phase and no granular appearance were selected for measurement. Cells transfected with SynGA and reconstituted with wild-type coelenterazine regularly exhibited low levels of bioluminescence activity in the quiescent state. The activity appeared to be uniform and more apparent in the cell body region. This suggests that the GA targeted in this way is in a domain conferred with a high concentration of Ca 2+ . In two cases, cells transfected with PSDGA showed spontaneous activity, which was localized in the dendritic region.

器官型切片培養物におけるCa2+動態の画像化(図10および19)
器官型海馬切片を、4〜5日令の子マウスから調製した。簡潔には、脳を、氷冷ハンク緩衝液中で迅速に取り出し、組織チョッパーで200μmの切片にスライスした。海馬切片を、立体顕微鏡を使用して同定し、無菌トランスウェルコラーゲン被膜チャンバー(直径12mm、孔径3.0μm)に移した。切片を、37℃で、5%COを含む加湿雰囲気中、B27で補充した神経基礎培地中で維持した。切片を、9日目にアデノウイルス−GFP−エクオリンベクターで感染させ、さらに4または5日間培養中で維持し、その後、画像化した。この段階で、切片は健康のようであり、個々の細胞は、GFP蛍光により明らかに識別できた。コエレンテラジンと共にインキュベートした後、切片を、室温で、9時間まで倒立顕微鏡上に維持でき、その9時間目の時点で、生物発光活性の大きな増加および細胞蛍光の消失により示される細胞死が明らかとなった。Ca2+リポーターの検出に光励起が必要とされないので、光線力学傷害を引き起こすことなく長期画像化を実施することができる。長時間におよぶ画像化は連続的である。積分期間を選択する必要はない。バックグラウンドは、256×256画素領域(665.6×665.6μm)において極めて低く、1光子/秒未満である。いくつかの実験では、トランスジェニックマウスの体性感覚皮質の400〜450μm冠状切片を、振動器を使用して切り出し、画像化の前に4〜5日間培養中に入れた。切片を、95%Oおよび5%COで泡立てたACSFで灌流した。1時間インキュベートした後、切片をMg2+を含まないACSFで灌流した。室温(25〜28℃)で記録した。薬物を灌流液を通して加えた。
Imaging Ca 2+ dynamics in organotypic slice cultures (FIGS. 10 and 19)
Organotype hippocampal slices were prepared from 4-5 day old pups. Briefly, brains were quickly removed in ice-cold Hank buffer and sliced into 200 μm sections with a tissue chopper. Hippocampal slices were identified using a stereomicroscope and transferred to a sterile transwell collagen coated chamber (12 mm diameter, 3.0 μm pore size). Sections were maintained at 37 ° C. in neural basal medium supplemented with B27 in a humidified atmosphere containing 5% CO 2 . Sections were infected on day 9 with the adenovirus-GFP-aequorin vector and maintained in culture for an additional 4 or 5 days before imaging. At this stage, the sections appeared healthy and individual cells could be clearly distinguished by GFP fluorescence. After incubation with coelenterazine, the sections can be maintained on an inverted microscope for up to 9 hours at room temperature, at which time cell death is revealed, indicated by a large increase in bioluminescent activity and loss of cell fluorescence. It was. Since no photoexcitation is required to detect the Ca 2+ reporter, long-term imaging can be performed without causing photodynamic injury. Long-term imaging is continuous. There is no need to select an integration period. The background is very low in the 256 × 256 pixel area (665.6 × 665.6 μm) and less than 1 photon / second. In some experiments, 400-450 μm coronal sections of somatosensory cortex of transgenic mice were excised using a vibrator and placed in culture for 4-5 days prior to imaging. Sections were perfused with ACSF bubbled with 95% O 2 and 5% CO 2 . After 1 hour incubation, the sections were perfused with ACSF without Mg 2+ . Recorded at room temperature (25-28 ° C). Drug was added through the perfusate.

トランスジェニック動物の作製(図15〜23)
本発明者らは、遺伝子工学した新しいリポーター分子を有し、これによれば、GAは、トランスジェニックマウスの細胞下ドメインに標的化されている。GA導入遺伝子は、任意の細胞型および/または任意の発達段階で発現させることができる。発現は、強力なプロモーターであるβ−アクチン(CAG)の直後にあるLox−stop−Lox配列を使用して条件的とした。発現細胞の選択は、特異的プロモーターにより駆動される、適切なエンドヌクレアーゼCreを使用して行なう。転写が開始される時点は、遺伝子Cre−ERT2を使用する場合にはタモキシフェンを注入することにより開始される。最後に、任意の細胞で発現できるように、転写単位を、ES細胞の再構成HPRT遺伝子座(X染色体)に相同的組換えにより導入し、発現レベルに対する組込み部位の影響を最小限にした。ここに示した実験において、非常に初期の胚においてGA導入遺伝子を活性化するPGK Creトランスジェニックマウスを使用した。
Production of transgenic animals (FIGS. 15-23)
We have a new genetically engineered reporter molecule, according to which GA is targeted to the subcellular domain of transgenic mice. The GA transgene can be expressed in any cell type and / or at any stage of development. Expression was conditioned using the Lox-stop-Lox sequence immediately following the strong promoter β-actin (CAG). Selection of expression cells is done using an appropriate endonuclease Cre driven by a specific promoter. The point at which transcription is initiated is initiated by injecting tamoxifen when using the gene Cre-ER T2 . Finally, the transcription unit was introduced by homologous recombination into the reconstituted HPRT locus (X chromosome) of ES cells so that it could be expressed in any cell, minimizing the effect of the integration site on the expression level. In the experiments presented here, PGK Cre transgenic mice that activate the GA transgene in very early embryos were used.

細胞特異的プロモーターの調節下にあるCREを含む組換えウイルスも使用できる。マウスは、遺伝子改変したES細胞を胚盤胞に注入することにより作製した。   Recombinant viruses containing CRE under the control of a cell specific promoter can also be used. Mice were generated by injecting genetically modified ES cells into blastocysts.

mtGAを用いた免疫局在化研究(図18)
ミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンリポーターを発現している皮質ニューロンまたは脳切片を、PBS中4%ホルムアルデヒド中で室温で20分間固定した。PBSで洗浄した後、細胞膜を、0.1%Triton−X100およびBSAを含むPBSで透過性とした。その後、細胞を、一次抗体と共に室温で1〜2時間インキュベートした。標的化を、抗チトクロムc(1:500; BD Biosciences Pharmingen、米国CA州)およびMito Tracker(登録商標)Red CMXRos(200nM;Molecular Probes社)と比較した。抗体の結合は、Alexa Fluor(登録商標)546(Molecular Probes社)にコンジュゲートさせた二次抗体中で1時間インキュベートした後に測定した。洗浄後、細胞を、フルオロマウント(Fluoromount)のスライドにのせ、共焦点解析により可視化した。画像を、LP560およびBP505−550フィルターを使用して油浸対物レンズ(63倍/1.4NA)を通して、Axiovert 200Mレーザー走査共焦点顕微鏡(Zeiss LSM-510;バージョン3.2)で獲得した。ピンホール開口部を98Tmで設定し、画像を、8ビット解像度で512×512アレイにデジタル化した。
Immunolocalization study using mtGA (Figure 18)
Cortical neurons or brain sections expressing GFP-aequorin reporter targeted to mitochondria were fixed in 4% formaldehyde in PBS for 20 minutes at room temperature. After washing with PBS, the cell membrane was permeable with PBS containing 0.1% Triton-X100 and BSA. The cells were then incubated with the primary antibody for 1-2 hours at room temperature. Targeting was compared to anti-cytochrome c (1: 500; BD Biosciences Pharmingen, CA, USA) and Mito Tracker® Red CMXRos (200 nM; Molecular Probes). Antibody binding was measured after incubation for 1 hour in a secondary antibody conjugated to Alexa Fluor® 546 (Molecular Probes). After washing, the cells were placed on a Fluoromount slide and visualized by confocal analysis. Images were acquired with an Axiovert 200M laser scanning confocal microscope (Zeiss LSM-510; version 3.2) through an oil immersion objective (63x / 1.4NA) using LP560 and BP505-550 filters. The pinhole opening was set at 98 Tm and the image was digitized into a 512 × 512 array with 8 bit resolution.

蛍光/生物発光を複合した画像化(図5〜7、8〜10、13、14、および19)
蛍光/生物発光広視野顕微鏡システムは、ScienecWares社に特別注文して製造された。該システムは、完全自動化倒立顕微鏡(200M、Zeiss、ドイツ)を含み、光を通さない暗いボックスに入れられている。メカニカルシャッターが、ボックスの外に据え付けられ、ファイバーオプティックケーブルを介して顕微鏡に接続されている、ハロゲンおよびHBOアークランプの両方からの照射を制御する。低レベル光放射(光子速度<100kHz)を、顕微鏡のベースポートに接続されたImage Photon Detector(IPD3、Photek社)を使用して収集し、これは各々の検出された光子のX、Y座標および時点を割り当てる(Millerら、1994)。該システムは、データ取得ソフトウェアにより完全に制御されており、これはまた単一の光子事象を画像に変換し、これを、Cポートへと接続されたCCDカメラにより作成された明視野または蛍光画像と重ね合わせることができる(Coolsnap HQ、Roper Scientific)。それ故、可視化されるあらゆるCa2+活性を、対象の領域を選択し、光子データを出力することにより、より詳細に解析できる。実験が完了した後、記録したムービーファイルを再生し、データをユーザーの必要性に応じて抽出できる。IPDは、ミリ秒未満の時間解像度を提供でき、取得のために積分時間が明確である必要はない。本発明者らが使用する該システムは、256×256画素領域において、<1光子/秒という、非常に低いバックグラウンド光子計数レベルを有する。
Combined fluorescence / bioluminescence imaging (Figures 5-7, 8-10, 13, 14, and 19)
The fluorescence / bioluminescence wide-field microscope system was manufactured as a special order from ScienecWares. The system contains a fully automated inverted microscope (200M, Zeiss, Germany) and is placed in a dark box that does not transmit light. A mechanical shutter controls illumination from both halogen and HBO arc lamps installed outside the box and connected to the microscope via fiber optic cables. Low level light emission (photon velocity <100 kHz) is collected using an Image Photon Detector (IPD3, Photek) connected to the base port of the microscope, which contains the X, Y coordinates of each detected photon and Assign time points (Miller et al., 1994). The system is fully controlled by data acquisition software, which also converts a single photon event into an image that is generated by a bright field or fluorescent image created by a CCD camera connected to the C port. (Coolsnap HQ, Roper Scientific). Therefore, any Ca 2+ activity that can be visualized can be analyzed in more detail by selecting a region of interest and outputting photon data. After the experiment is complete, you can play the recorded movie file and extract the data according to your needs. The IPD can provide sub-millisecond time resolution and the integration time need not be explicit for acquisition. The system we use has a very low background photon count level of <1 photon / second in a 256 × 256 pixel area.

生きた細胞の細胞内Ca2+値への生物発光測定の較正は、インビトロでの較正により実施できる。細胞内[Ca2+]測定は、光タンパク質消費速度分率を決定することにより行なった。インビトロでの較正のために、Neuro2A細胞を、異なる構造物で一過性にトランスフェクトした。48時間後、細胞をPBSで洗浄し、セルスクレーパーを使用して収集した。細胞懸濁液を、1.5mlのエッペンドルフチューブに移し、PBS中10mMのメルカプトメタノール、5mMのEGTA、および野生型(wt)nもしくはhコエレンテラジン5μMを含むエクオリン再構成緩衝液中で4℃で2時間インキュベートした。2時間後、細胞を洗浄し、dHO中に20mMトリス/HCl、10mMのEGTA、および5mMのメルカプトエタノール並びにEDTAを含まないプロテアーゼ阻害剤(ロシュ・ジアグノスティック)を含む低浸透圧緩衝液中に再懸濁した。細胞膜をさらに3回の凍結解凍サイクルにより溶解し、その後、懸濁液を26GA針に通過させた。リポータータンパク質を含む10μlのアリコートの細胞溶解液を、既知濃度のCaCl(モレキュラー・プローブズ社)を有するEGTA緩衝溶液を含む白の不透明の96ウェルプレートのウェルに分配した。遊離Ca2+を、WEBMAXCプログラム(www.stanford.edu/~cpatton/webmaxc.html)(Bersら、1994)を使用して計算した。発光は、96ウェルプレート解読器(Mithras、Berthold Tech.、ドイツ)を使用して直接測定した。光を、細胞溶解液注入後に100ミリ秒の積分で10秒間記録した。10秒後、100μLの1MのCaCl溶液を同じウェルに注入し、光が基礎レベルに戻り全ての光タンパク質が消費されるまで(Lmax)記録し続けた。光放射は、光タンパク質消費速度分率として表現され、これは、その時点(画定された[Ca2+])の光放射(L、s−1)と、光タンパク質が完全に消費されるまでの時点(Lmax)(飽和Ca2+)の全光放射の積分の間の比である。実験は25〜28℃で行なった。 Calibration of bioluminescence measurements to intracellular Ca 2+ values of living cells can be performed by in vitro calibration. Intracellular [Ca 2+ ] measurements were made by determining the photoprotein consumption rate fraction. Neuro2A cells were transiently transfected with different constructs for in vitro calibration. After 48 hours, cells were washed with PBS and harvested using a cell scraper. The cell suspension is transferred to a 1.5 ml Eppendorf tube and 2 ° C. at 4 ° C. in aequorin reconstitution buffer containing 10 mM mercaptomethanol, 5 mM EGTA, and 5 μM wild type (wt) n or h coelenterazine in PBS. Incubated for hours. After 2 hours, the cells were washed and a hypotonic buffer containing 20 mM Tris / HCl, 10 mM EGTA, and 5 mM mercaptoethanol in dH 2 O and a protease inhibitor without EDTA (Roche Diagnostics). Resuspended in. The cell membrane was lysed by three additional freeze-thaw cycles, after which the suspension was passed through a 26GA needle. A 10 μl aliquot of cell lysate containing reporter protein was dispensed into wells of a white opaque 96 well plate containing EGTA buffer solution with known concentrations of CaCl 2 (Molecular Probes). Free Ca 2+ was calculated using the WEBMAXC program (www.stanford.edu/~cpatton/webmaxc.html) (Bers et al., 1994). Luminescence was measured directly using a 96 well plate reader (Mithras, Berthold Tech., Germany). Light was recorded for 10 seconds with 100 millisecond integration after cell lysate injection. After 10 seconds, 100 μL of 1M CaCl 2 solution was injected into the same well and recording continued until light returned to basal levels and all photoprotein was consumed (Lmax). Light emission is expressed as a fraction of the rate of photoprotein consumption, which is the light emission (L, s −1 ) at that time (defined [Ca 2+ ]) and until the photoprotein is completely consumed. Ratio between integrals of total light emission at time (Lmax) (saturated Ca 2+ ). The experiment was performed at 25-28 ° C.

電気刺激およびウイルストランスフェクション
いくつかの実験において、電気パルスを、ホウケイ酸塩ガラス(World Precision Instruments、米国フロリダ州)から引き伸ばした、古典的なパッチピペット(5〜10MΩ)を介して、試験下の細胞に送達した。実験室内で作成された電気作動するリレーシステムにより、隔絶された刺激器(DS2A、Digitimer社、英国)により送達される刺激間のピペット抵抗性の測定が可能となった(図14参照)。Ca2+波の伝播速度は、刺激後に放射される光の最大値の半分に対応する時点をとり、解析した2つの領域の中心間で測定された距離で割ることにより計算した。
Electrical Stimulation and Virus Transfection In some experiments, an electrical pulse was stretched from a borosilicate glass (World Precision Instruments, Florida, USA) through a classic patch pipette (5-10 MΩ) under test. Delivered to cells. An electrically operated relay system created in the laboratory allowed the measurement of pipette resistance between stimuli delivered by isolated stimulators (DS2A, Digitimer, UK) (see FIG. 14). Ca 2+ wave propagation velocity was calculated by taking the time point corresponding to half the maximum value of light emitted after stimulation and dividing by the measured distance between the centers of the two regions analyzed.

動物完全体の生物発光による検出
天然のコエレンテラジン(体重1gあたり4μg;Interchim、フランス)を、腹腔内注入によりP1〜P4マウスに導入した。マウスの画像化は、基質(コエレンテラジン)注入の1〜1.5時間後に開始した。リアルタイムの画像化を可能とし、生きた生物内の細胞活性をモニタリングおよび記録することのできるIVIS(登録商標)画像化システム100シリーズを、これらの研究で使用し、動物完全体レベルでの局所Ca2+変化を検出した。該システムは、光を通さない低バックグラウンド画像化チャンバー内の、冷却された背面の薄い背面照射のCCDカメラを特徴とする。マウスのグレースケール表面画像を、最初に、10cmの撮像視野、0.2秒間の露光時間、2というビニング解像度係数、16f/stop(開口部)およびオープンフィルターを使用して獲得した。生物発光画像は、グレースケール画像の直後に獲得した。生物発光画像の獲得時間は、1〜5秒間、ビニング8および16、撮像視野10cm;f/stop1の範囲であった。インビボでの生物発光から伝達される光の相対強度は、紫(最も強度が低い)から赤(最も強力)の範囲の偽色画像として表示した。対応するグレースケール写真およびカラーのルシフェラーゼ画像を、LivingImage(Xenogen)およびIgor(Wavemetrics、Lake Oswego、オレゴン州)画像解析ソフトウェアを用いて重ね合わせた。
Whole animal bioluminescence detection Natural coelenterazine (4 μg / g body weight; Interchim, France) was introduced into P1-P4 mice by intraperitoneal injection. Mouse imaging began 1 to 1.5 hours after substrate (coelenterazine) injection. The IVIS® imaging system 100 series, which enables real-time imaging and can monitor and record cellular activity in living organisms, is used in these studies to produce local Ca at the whole animal level. 2+ changes were detected. The system features a cooled back-thin, back-illuminated CCD camera in a low-background imaging chamber that does not pass light. A gray scale surface image of the mouse was first acquired using a 10 cm field of view, an exposure time of 0.2 seconds, a binning resolution factor of 2, 16 f / stop (opening) and an open filter. A bioluminescent image was acquired immediately after the grayscale image. The bioluminescence image acquisition time ranged from 1 to 5 seconds, binning 8 and 16, imaging field of 10 cm; f / stop1. The relative intensity of light transmitted from bioluminescence in vivo was displayed as a false color image ranging from purple (lowest intensity) to red (highest intensity). Corresponding grayscale photographs and colored luciferase images were overlaid using LivingImage (Xenogen) and Igor (Wavemetrics, Lake Oswego, Oreg.) Image analysis software.

結果
結果1:GAを細胞下ドメインに標的化
特定の細胞下区画において発現させるために、様々なGAリポーターを、対象のシグナルペプチドまたはタンパク質と融合させることにより作成した(図1および2)。GAは、シナプス伝達に重要なドメイン:ミトコンドリアマトリックス、小胞体、シナプス小胞、およびシナプス後肥厚部に標的化された。共焦点解析により、ミトコンドリアマトリックスに標的化させるためにチトクロムcのシグナルペプチドに融合させた後(mtGA)、ER腔に標的化させるためにIgG重鎖に融合させた後(erGA)、シナプス小胞膜のサイトゾル側に標的化させるためにシナプトタグミンIタンパク質に融合させた後(SynGA)、またはシナプス後肥厚部に標的化させるためにPSD−95に融合させた後に(PSDGA)、期待されるGAリポーター発現パターンが示された(図4)(Christophersonら、2003;Conroyら、2003)。
Results Result 1: Targeting GA to the subcellular domain In order to express in specific subcellular compartments, various GA reporters were made by fusing with the signal peptide or protein of interest (Figures 1 and 2). GA was targeted to domains important for synaptic transmission: mitochondrial matrix, endoplasmic reticulum, synaptic vesicles, and post-synaptic thickening. By confocal analysis, fused to cytochrome c signal peptide for targeting to the mitochondrial matrix (mtGA), then fused to IgG heavy chain for targeting to the ER cavity (erGA), synaptic vesicles Expected GA after fusing to synaptotagmin I protein for targeting to the cytosol side of the membrane (SynGA) or after fusing to PSD-95 for targeting to post-synaptic thickening (PSDGA) Reporter expression patterns were shown (Figure 4) (Christopherson et al., 2003; Conroy et al., 2003).

結果2:GAは、単一細胞の解像によりCa2+濃度を報告する
本発明者らは、ニューロンに均一に分布している標的化されていないGAを用いてこれらの研究を開始した(図5)。GAをhコエレンテラジン(高親和性型のルシフェリン)を用いて再構成した後、NMDA(100μM)およびKCl(90mM)で刺激すると、皮質ニューロンにおいて強力なシグナルが発生した(図5BおよびC)。これは、小さな哺乳動物ニューロンにおけるCa2+応答が、単一および細胞下レベルにおいて、生物発光リポーターを用いて直接可視化された始めての例であった。実験の最後にジギトニンおよび高濃度のCa2+を適用することにより、依然として十分な量の光タンパク質が残存していることが示された(図5D)。実験の最後に高濃度Ca2+およびジギトニンも加えて、データを標準化するために全体の利用可能なGFP−エクオリン(Lmax)を測定した(方法の章のLmaxの定義を参照)。
Results 2: GA reports Ca 2+ concentrations by single-cell resolution We started these studies with untargeted GAs that are uniformly distributed in neurons (Fig. 5). After reconstitution of GA with h-coelenterazine (high affinity form of luciferin) and stimulation with NMDA (100 μM) and KCl (90 mM), a strong signal was generated in cortical neurons (FIGS. 5B and C). This was the first time that Ca 2+ responses in small mammalian neurons were visualized directly using bioluminescent reporters at the single and subcellular levels. Application of digitonin and a high concentration of Ca 2+ at the end of the experiment showed that a sufficient amount of photoprotein remained (FIG. 5D). High concentrations of Ca 2+ and digitonin were also added at the end of the experiment to measure the total available GFP-Aequorin (Lmax) to normalize the data (see definition of Lmax in the method section).

結果3:カルシウムシグナル伝達に関連するシナプスタンパク質に標的化されたGFP−エクオリンの光学的検出   Results 3: Optical detection of GFP-Aequorin targeted to synaptic proteins involved in calcium signaling

高濃度Ca2+のミクロドメインを、皮質ニューロンを刺激した後に、標的化GFP−エクオリンを用いて検出した。
実施例1:GAを、ミトコンドリアマトリックスなどの区画に標的化させると、Ca2+応答の反応速度特性の差異を細胞下で検出できた(図6)。NMDAの適用が、異なる時間プロファイルを有する、画定された細胞位置におけるCa2+応答を引き起こした代表例を示した。図6AおよびBは、慣用の蛍光と比べて低レベルの光放射および中程度の空間的解像度にも関わらず、特定の領域におけるCa2+応答を解析できたことを示す。リポーターを細胞下に標的化した場合、バックグラウンドと比べて1000倍以下の大きさのシグナルを依然として検出できた(15×15画素領域、1画素=0.65μm)。グラフで示される局所領域から導いたグラフデータは、ミトコンドリアCa2+変化の空間時間的特性の多様性を実証する。
High concentrations of Ca 2+ microdomains were detected using targeted GFP-Aequorin after stimulation of cortical neurons.
Example 1: When GA was targeted to a compartment such as the mitochondrial matrix, differences in the kinetic properties of the Ca 2+ response could be detected under the cells (FIG. 6). A representative example was shown in which application of NMDA caused a Ca 2+ response at defined cell locations with different time profiles. FIGS. 6A and B show that the Ca 2+ response in a particular region could be analyzed despite low levels of light emission and moderate spatial resolution compared to conventional fluorescence. When the reporter was targeted under the cells, a signal that was 1000 times smaller than the background could still be detected (15 × 15 pixel area, 1 pixel = 0.65 μm). The graph data derived from the local regions shown in the graph demonstrates the diversity of spatiotemporal characteristics of mitochondrial Ca 2+ changes.

実施例2:カルシウムセンサーのシナプス小胞膜貫通タンパク質のシナプトタグミンIに標的化されたGFP−エクオリンを使用した、ニューロンにおけるCa2+により誘起される生物発光の光学的検出。図1、2 4Dおよび7を参照。シナプトタグミンIは、急速なエキソサイトーシス事象の調節に関与していると考えられている低親和性Ca2+センサーである(Davisら、1999)。以前の研究により、シナプトタグミンIは、シナプス小胞膜融合を引き起こすCa2+濃度(21〜74μM)に応答するように「調律」されていることが示された(閾値>20μM、194μMにおいて最大値の半分の速度)。本発明者らは、SynGAmutとして知られる、シナプトタグミンIへの融合によりシナプス小胞に標的化される低親和性型のGFP−エクオリンを作成した。高濃度カルシウムドメインのみしか検出しない低親和性型のCa2+リポーターを使用することにより、特異的に神経エキソサイトーシスを光学的にプローブすることが可能であるはずである。例えば、SynGAmutは、神経伝達物質放出のためにドッキングする、電位開口型Ca2+チャネルの近くに位置する小胞の特異的検出を可能とした(図4)。これらの小胞は、チャネル口に十分近くに位置し、それ故、高濃度Ca2+ドメイン内に位置し、これはシナプス伝達を容易にする小胞エキソサイトーシスを駆動するに必要であると考えられている。リポーターはCa2+に対する親和性が低いため、放出のためにドッキングされない小胞は、十分に遠く検出されないであろう。 Example 2: Optical detection of Ca 2+ -induced bioluminescence in neurons using GFP-Aequorin targeted to synaptotagmin I, a synaptic vesicle transmembrane protein of the calcium sensor. See Figures 1, 2, 24D and 7. Synaptotagmin I is a low affinity Ca 2+ sensor that is thought to be involved in the regulation of rapid exocytosis events (Davis et al., 1999). Previous studies have shown that synaptotagmin I is “tuned” to respond to Ca 2+ concentrations (21-74 μM) that cause synaptic vesicle membrane fusion (threshold> 20 μM, maximal at 194 μM). Half speed). We have created a low affinity form of GFP-Aequorin, known as SynGAmut, that is targeted to synaptic vesicles by fusion to synaptotagmin I. It should be possible to optically probe neuroexocytosis specifically by using a low affinity Ca 2+ reporter that detects only the high concentration calcium domain. For example, SynGAmut allowed specific detection of vesicles located near voltage-gated Ca 2+ channels that dock for neurotransmitter release (FIG. 4). These vesicles are located close enough to the channel mouth and are therefore located in the high concentration Ca 2+ domain, which we believe is necessary to drive vesicle exocytosis that facilitates synaptic transmission. It has been. Because the reporter has a low affinity for Ca 2+, vesicles that are not docked for release will not be detected far enough.

実施例3:Ca2+誘起生物発光はまた、NMDA適用後にPSDGAおよびmtGAを発現している皮質ニューロンにおける細胞下解像により可視化できる(図7および8)。GAとは対照的に、PSDGAでトランスフェクトしたニューロンへのNMDAの適用により、より速い反応速度およびより大きな振幅を有するCa2+トランジェントが生じた(3回の実験の代表例については図8参照)。樹状突起(図8D1およびD2)と細胞体ではCa2+動態の明確な差異が観察された(図8、細胞体)。特に、解析した樹状突起領域は、Ca2+応答のより急速な上昇速度および急速な崩壊を示した。急速な崩壊速度は、光タンパク質が完全に消費され、Ca2+応答の時間的動態および増幅は人為的なものであることを示唆した。さらに、もはや利用可能な光タンパク質は残っておらず、このことは、PSDGAが標的化したドメインにおけるCa2+濃度は、非常に高かったであろうことを示唆していた(Ca2+結合曲線については図3を参照)。 Example 3: Ca 2+ -induced bioluminescence can also be visualized by subcellular resolution in cortical neurons expressing PSDGA and mtGA after NMDA application (Figures 7 and 8). In contrast to GA, application of NMDA to PSDGA-transfected neurons resulted in Ca 2+ transients with faster response rates and larger amplitudes (see FIG. 8 for a representative example of 3 experiments). . A clear difference in Ca 2+ kinetics was observed between dendrites (FIGS. 8D1 and D2) and cell bodies (FIG. 8, cell bodies). In particular, the analyzed dendritic regions showed a faster rate of rise and rapid decay of the Ca 2+ response. The rapid decay rate suggested that the photoprotein was completely consumed and that the temporal kinetics and amplification of the Ca 2+ response was artificial. Furthermore, no photoproteins were available any longer, suggesting that the Ca 2+ concentration in the domains targeted by PSDGA would have been very high (for the Ca 2+ binding curve). (See FIG. 3).

実施例4:皮質ニューロンをPSDGAで一過性にトランスフェクトすると、GAが樹状突起構造に局所発現された(図8および9)。PSD−95に融合させた場合にGAを局所標的化することにより、基礎状態で留まっていた皮質ニューロンにおいて特殊な種類の活性を観察できた。本発明者らは光放射速度が一定であるSynGAとは対照的に、いくつかの実験において空間的に局在していた非常に低いバックグラウンドよりも高い無作為で同調的ではないCa2+トランジェントを観察した。少なくとも2回の実験において(代表例を図9に示す)、カルシウムトランジェントは比較的頻繁に起こり、樹状突起領域に限局していた(図9A、CおよびB参照)。 Example 4: When cortical neurons were transiently transfected with PSDGA, GA was locally expressed in dendritic structures (Figures 8 and 9). By targeting GA locally when fused to PSD-95, a special type of activity could be observed in cortical neurons that remained in the basal state. We, in contrast to SynGA, where the rate of light emission is constant, Ca 2+ transients that are higher than the very low background that was spatially localized in some experiments. Was observed. In at least two experiments (representative example shown in FIG. 9), calcium transients occurred relatively frequently and were confined to the dendritic region (see FIGS. 9A, C, and B).

実施例5:PSDGAでトランスフェクトした皮質ニューロンでの細胞内でのCa2+の伝播(図13) Example 5: Intracellular Ca2 + propagation in PSDGA-transfected cortical neurons (Figure 13)

結果4:神経連結度をマッピングするためのニューロン個体群におけるカルシウム動態の「リアルタイム」可視化のための遺伝子的に標的化したGFP−エクオリンの使用   Results 4: Use of genetically targeted GFP-Aequorin for “real time” visualization of calcium dynamics in neuronal populations to map neural connectivity

本発明者らは、培養ニューロンにおける細胞間伝達を追跡するためのこれらのリポーターの使用を検証した。本発明者らはまた、GAリポーターを発現する海馬ニューロンを電気的に刺激し、単純な神経ネットワーク内のCa2+活性の伝播および細胞伝達を可視化した。これらの実験において、本発明者らは、解離海馬ニューロンをトランスフェクトするために、GAをコードする複製欠陥アデノウイルスベクター(Ad5−GA)を使用した。図14F1は、GAリポーターを発現している少なくとも2個の細胞を示す。短い電気パルスをIで標識される細胞の体領域に適用すると(図14BF)、Ca2+波が、隣のIIIで標識される細胞へと伝播した。3箇所の領域におけるCa2+応答の解析により、Ca2+の伝播は、各領域間で変動することが示唆された。IからIIの領域では、波は、60μm/秒の速度で伝わると計算された。これに対し、IIからIIIの領域では、10μm/秒の速度で伝わると計算された。合計で6回の連続的な刺激(1回の単一のパルスは約2秒間毎)を適用し(そのうち最初の5回をグラフ表示した)、その後、自発的に起こる振動が出現した(図14A〜F)。各Ca2+の「スパイク」は、急速な上昇速度を示し、その後、ゆっくりとした下降を示した。これらのCa2+トランジェントを約45分間記録した後も、有意な光タンパク質活性が依然として残っていた(機械的な細胞膜の破壊により決定)。 We have verified the use of these reporters to track cell-to-cell transmission in cultured neurons. We also electrically stimulated hippocampal neurons expressing GA reporters to visualize the propagation of Ca 2+ activity and cellular transmission within simple neural networks. In these experiments, we used a replication-defective adenoviral vector (Ad5-GA) encoding GA to transfect dissociated hippocampal neurons. FIG. 14F1 shows at least two cells expressing the GA reporter. When a short electrical pulse was applied to the body region of a cell labeled with I (FIG. 14BF), a Ca 2+ wave propagated to the cell labeled with the next III. Analysis of the Ca 2+ response in three regions suggested that Ca 2+ propagation fluctuates between each region. In the region from I to II, the waves were calculated to travel at a speed of 60 μm / sec. In contrast, in the region from II to III, it was calculated to travel at a speed of 10 μm / sec. A total of 6 consecutive stimuli (one single pulse about every 2 seconds) was applied (of which the first 5 were graphed), after which spontaneous oscillations appeared (Figure 14A-F). Each Ca 2+ “spike” showed a rapid rate of rise followed by a slow decline. Even after recording these Ca 2+ transients for about 45 minutes, significant photoprotein activity remained (determined by mechanical cell membrane disruption).

GAをコードする複製欠陥アデノウイルスベクター(Ad5−GA)で感染させた器官型切片において記録された自発的活性(図10)。GAが組織切片、例えば皮質の器官型切片において発現されている場合には、長期記録(8時間まで)を行なうことができた。一般に、本発明者らは、光タンパク質消費およびCa2+の変動を検出するための感度レベルは、発現されるリポーターの量、リポーターの位置、および使用するコエレンテラジン類似体の種類に関連していることを見出した(Shimomura、1997;Shimomuraら、1993)。これは、適用により、細胞により異なる場合があり、蛍光プローブと同様に各場合において最適化する必要がある。 Spontaneous activity recorded in organotypic sections infected with a replication-defective adenoviral vector (Ad5-GA) encoding GA (FIG. 10). Long-term recording (up to 8 hours) could be performed when GA was expressed in tissue sections, such as cortical organotypic sections. In general, we find that the sensitivity level for detecting photoprotein consumption and Ca 2+ variation is related to the amount of reporter expressed, the location of the reporter, and the type of coelenterazine analog used. (Shimomura, 1997; Shimomura et al., 1993). This may vary from cell to cell depending on the application and needs to be optimized in each case as well as fluorescent probes.

結果5:動物完全体の研究におけるカルシウム動態の研究のための、GFP−エクオリンを、特定の細胞型、細胞下区画または細胞ミクロドメインに発現しているトランスジェニック動物の作成   Result 5: Generation of transgenic animals expressing GFP-Aequorin in specific cell types, subcellular compartments or cellular microdomains for calcium dynamics studies in whole animal studies

標的化GFP−エクオリンリポーターを発現しているトランスジェニック動物を作成した。GA導入遺伝子は、任意の細胞型および/または任意の発達段階で発現させることができる。発現は、強力なプロモーターであるβ−アクチン(CAG)の直後のLox−stop−Lox配列を使用することにより条件的とした。発現細胞の選択は、特異的プロモーターにより駆動される、適切なエンドヌクレアーゼCreを使用することにより行なった。任意の細胞で発現できるように、転写単位が、相同的組換えによりES細胞の再構成HPRT遺伝子座に導入され、発現レベルに対する組込み部位の影響を最小限にした。細胞特異的プロモーターの調節下にあるCREを含む組換えウイルスも使用できる。ミトコンドリアマトリックスに標的化されたGFP−エクオリンを用いて作成したトランスジェニック動物についてのここに示した例では、これらのマウスをPGK−CREマウスと交雑させることにより、全ての細胞においてそして発達開始時期から導入遺伝子発現の活性化を誘発した。全胚および新生児マウスの蛍光画像化により、mtGA導入遺伝子が、全ての細胞型において発現されていることが判明した(図15、17、18および19)。リポータータンパク質もまた、ミトコンドリアマトリックスに良好に標的化されていた(図16C2および18)。GFP−エクオリンのいくつかの利点は、哺乳動物細胞によって通常発現される内因性タンパク質ではなく、結合親和性が低いことからCa2+シグナル伝達にはほとんど影響を及ぼさないことである。したがって、本発明者らにより、GFP−エクオリンリポーターで得られたトランスジェニック系における異常な表現型の知見は認められなかった。 Transgenic animals expressing the targeted GFP-Aequorin reporter were generated. The GA transgene can be expressed in any cell type and / or at any stage of development. Expression was made conditional by using a Lox-stop-Lox sequence immediately after the strong promoter β-actin (CAG). Selection of expression cells was done by using the appropriate endonuclease Cre driven by a specific promoter. A transcription unit was introduced into the reconstituted HPRT locus of ES cells by homologous recombination so that it could be expressed in any cell, minimizing the effect of integration sites on expression levels. Recombinant viruses containing CRE under the control of a cell specific promoter can also be used. In the example shown here for transgenic animals made with GFP-Aequorin targeted to the mitochondrial matrix, these mice were crossed with PGK-CRE mice, in all cells and from the onset of development. Activation of transgene expression was induced. Fluorescence imaging of whole embryos and newborn mice revealed that the mtGA transgene was expressed in all cell types (FIGS. 15, 17, 18 and 19). Reporter proteins were also well targeted to the mitochondrial matrix (FIGS. 16C2 and 18). Some advantages of GFP-aequorin are that it is not an endogenous protein normally expressed by mammalian cells and has little effect on Ca 2+ signaling due to its low binding affinity. Therefore, the inventors did not find any abnormal phenotypic findings in the transgenic system obtained with the GFP-Aequorin reporter.

共焦点解析により、ミトコンドリアマトリックスに標的化させるためのチトクロムcのシグナルペプチドに融合させた後(mtGA)、期待されるGAリポーターの発現パターンが示された(図16C2)。主要な器官のGFP蛍光画像により、主要な器官における強力なリポーター発現レベルが示された(図17)。より高い発現レベルが心臓および肝臓で見られた。脳では、それぞれGFAPおよびNeuNに対する抗体と比較した後、導入遺伝子の発現が、グリア細胞およびニューロンの両方において明らかであった(図19)。これらの結果により、トランスジェニックmtGAリポーターマウスをPGK−CREマウスと交雑させた場合、mtGA導入遺伝子は上手く標的化されており、脳の全ての細胞において発現されていることが示された。   Confocal analysis showed the expected expression pattern of the GA reporter after fusion to the cytochrome c signal peptide for targeting to the mitochondrial matrix (mtGA) (FIG. 16C2). GFP fluorescence images of major organs showed strong reporter expression levels in major organs (FIG. 17). Higher expression levels were found in the heart and liver. In the brain, transgene expression was evident in both glial cells and neurons after comparison with antibodies against GFAP and NeuN, respectively (FIG. 19). These results indicated that when transgenic mtGA reporter mice were crossed with PGK-CRE mice, the mtGA transgene was successfully targeted and expressed in all cells of the brain.

発光活性の解析により、GFP−エクオリンタンパク質は、Ca2+の検出に関して機能していることが示された。本発明者らは、本発明者らのトランスジェニックマウスを使用して、新皮質の器官型切片におけるミトコンドリアCa2+振動を検出できることを示す予備データを得た(図20)。Ca2+トランジェントは、同調的に15〜45秒間に1回の割合で広い領域にかけて起こった。Ca2+活性の検出のために生物発光を使用しているので、切片画像化は、リアルタイムで8時間までの時間におよび行なうことができた。本発明者らの結果により、GFP−エクオリンリポーターは、トランスジェニック動物の脳切片におけるCa2+トランジェントを検出するための、優れた信号雑音比を提供することが示された。 Analysis of luminescence activity indicated that the GFP-Aequorin protein is functioning for the detection of Ca 2+ . We obtained preliminary data indicating that we can detect mitochondrial Ca 2+ oscillations in neocortical organotypic sections using our transgenic mice (FIG. 20). Ca 2+ transients occurred synchronously over a large area at a rate of once every 15-45 seconds. Since bioluminescence is used to detect Ca 2+ activity, section imaging could be performed in real time up to 8 hours. Our results indicate that the GFP-Aequorin reporter provides an excellent signal to noise ratio for detecting Ca 2+ transients in brain sections of transgenic animals.

ミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現しているトランスジェニックマウスにおいても生物発光が検出された。GFP−エクオリンリポーターを発現しているトランスジェニックマウス内のCa2+誘起生物発光を画像化するために、コエレンテラジンを注入する必要があった(例えば腹腔内または尾静脈により)。本発明者らは、新生児にコエレンテラジンを腹腔内注入し、その後、種々の時間解像度でそれらを画像化した後、局所Ca2+動態を、生きたマウスにおいて検出できるかどうかを試験した。5秒間かけて撮影した枠からなる一連の連続画像を画像化することにより、トランスジェニックマウスを非トランスジェニックマウスと直接比較した。マウスのグレースケール写真を最初に収集し、マウスの動きを追跡し、これらの画像を、生物発光画像を重ねたものと相関させた。本発明者らは、連続物ファイルが、マウスの動きに相関した動的な生物発光放射を示すことを見出した(図20および21)。検出された生物発光は、短い瞬間の反応速度を有し(1つの枠に出現していた)、マウスの動きに対応している、光を特徴としていた。2〜4秒間の枠という、より長時間の解像度では(図22)、Ca+シグナルは、自由に動いているマウスのミトコンドリアマトリックス内にも検出できた。本発明者らはまた、1秒間の撮影時間を使用して、良好な信号雑音比をもつシグナルを検出できた(図23)。短い瞬間の生物発光が、後足、前足、脊髄、脳幹、および他の身体の背領域などの領域に検出された。全ての場合において、これらのCa2+シグナルは、各発光画像の前に撮影したグレースケール写真に見られる、骨格筋の収縮−弛緩が起こっている身体の領域と同調していた。2光子顕微鏡によるインビボでの蛍光Ca2+リポーター解析を使用して、骨格筋ミトコンドリアが、筋肉の収縮−弛緩中にCa2+を取り込み放出することがごく最近になって示されたばかりであった。しかし、この手法はより侵襲性であった。なぜなら、それは、DNAを筋肉線維に送達する手段として励起光および電気穿孔技術を使用するからであり、2光子顕微鏡を使用したインビボでの画像化のために、遠くの腱を脱着し、対象の筋肉線維を外科的に露出させることが必要であるからであった。さらに、手術中にマウスを麻酔下に維持することが必要であり、揮発性麻酔薬は、ミトコンドリア呼吸鎖内の複合タンパク質に直接影響を及ぼす可能性があることを示唆している証拠がいくつかある。それにも関わらず、これらの研究により、非常に高度な空間的解像度でもって、筋肉線維の収縮−弛緩中のミトコンドリアCa2+取り込みおよび放出の画像が得られた。 Bioluminescence was also detected in transgenic mice expressing GFP-Aequorin targeted to mitochondria. In order to image Ca 2+ -induced bioluminescence in transgenic mice expressing the GFP-Aequorin reporter, it was necessary to inject coelenterazine (eg, intraperitoneally or via the tail vein). We tested whether local Ca 2+ kinetics could be detected in live mice after intraperitoneal injection of coelenterazine into neonates and then imaging them at various temporal resolutions. Transgenic mice were directly compared to non-transgenic mice by imaging a series of consecutive images of frames taken over 5 seconds. Mouse grayscale photographs were first collected to track mouse movement and these images were correlated with overlays of bioluminescent images. We have found that the continuum file shows dynamic bioluminescence emission correlated with mouse movement (FIGS. 20 and 21). The detected bioluminescence was characterized by light with a short instantaneous reaction rate (appearing in one frame) and corresponding to the movement of the mouse. That 2-4 seconds of the frame, in a more prolonged resolution (Figure 22), Ca 2 + signals were also detected in freely moving and the mitochondrial matrix in mice. The inventors were also able to detect a signal with a good signal-to-noise ratio using a 1 second imaging time (FIG. 23). Short instantaneous bioluminescence was detected in areas such as the hind paws, forefoot, spinal cord, brainstem, and other back areas of the body. In all cases, these Ca 2+ signals were in sync with the regions of the body undergoing skeletal muscle contraction-relaxation as seen in the grayscale photographs taken before each luminescent image. Using in vivo fluorescent Ca 2+ reporter analysis by two-photon microscopy, skeletal muscle mitochondria have only recently been shown to take up and release Ca 2+ during muscle contraction-relaxation. However, this technique was more invasive. Because it uses excitation light and electroporation techniques as a means of delivering DNA to muscle fibers, it dismounts distant tendons for in vivo imaging using a two-photon microscope, This is because it is necessary to surgically expose the muscle fibers. In addition, there is some evidence suggesting that mice need to be kept under anesthesia during surgery, and that volatile anesthetics may directly affect complex proteins in the mitochondrial respiratory chain. is there. Nevertheless, these studies yielded images of mitochondrial Ca 2+ uptake and release during muscle fiber contraction-relaxation with very high spatial resolution.

可能性ある適用1:遺伝子的に標的化されたGFP−エクオリンを使用した、ニューロンにおける形態学的または発達的変化に関連したカルシウム変動の検出   Potential Application 1: Detection of calcium fluctuations associated with morphological or developmental changes in neurons using genetically targeted GFP-Aequorin

Ca2+は、ニューロンにおける成長円錐運動性の中心的修飾物質であると考えられている。光解離性ケージド(photolabile caged)Ca2+を使用して、研究により、Ca2+の一過性上昇は、成長円錐運動性を正にモデュレートすることが示された。GAP43は、発達中の軸策ガイダンスおよび神経損傷後の再生に関与する重要なタンパク質であると考えられている。軸策/成長円錐タンパク質であるGAP43は、膜でカルモジュリンと会合し、成長円錐運動性と関連していると考えられている一過性Ca2+増加により活性化されると考えられている。したがって、シナプス後肥厚部タンパク質のGAP43に標的化されたGFP−エクオリンは、神経突起成長に関連した局所カルシウムシグナル伝達および対応する形態学的変化を、発達中および神経再生中にモニタリングすることを可能とした。 Ca 2+ is thought to be a central modulator of growth cone motility in neurons. Use photolabile caged (photolabile caged) Ca 2+, studies, transient rise in Ca 2+ has been shown to modulate the growth cone motility positively. GAP43 is thought to be an important protein involved in developing axon guidance and regeneration after nerve injury. GAP43, an axon / growth cone protein, is thought to be activated by a transient Ca 2+ increase that associates with calmodulin at the membrane and is thought to be associated with growth cone motility. Thus, GFP-Aequorin targeted to the postsynaptic thickening protein GAP43 can monitor local calcium signaling and corresponding morphological changes associated with neurite outgrowth during development and nerve regeneration It was.

可能性ある適用2:標的化GFP−エクオリンを使用して、受容体機能、Ca2+に透過性のもの、またはカルシウム濃度の局所的増加に関連したもののモニタリング Potential Application 2: Using Targeted GFP-Aequorin to Monitor Receptor Function, Ca 2+ Permeability, or Related to Local Increases in Calcium Concentration

実施例1:NMDA受容体活性化後の局所Ca2+増加、および、アルツハイマー病などの神経疾患におけるカルシウムシグナル伝達に関連した異常を特にモニタリングするための、PSD95に融合させたGFP−エクオリンの使用 Example 1: Use of GFP-Aequorin fused to PSD95 to specifically monitor abnormalities associated with local Ca2 + increase after activation of NMDA receptors and calcium signaling in neurological diseases such as Alzheimer's disease

実施例2:神経疾患を処置できる薬理学的物質候補の検出のための、薬理学的物質または化学的化合物またはコンビナトリアル化合物ライブラリーのハイスループットスクリーニング(すなわちマルチウェル形式、96、386、または1544ウェルプレート)のための、細胞個体群研究における高濃度カルシウムミクロドメインの選択的検出のための、標的化され低親和性のGFP−エクオリンの使用。この技術は、カルシウムを感知する蛍光ダイを使用したものよりもかなりより強力である。   Example 2: High-throughput screening of pharmacological agents or chemical compounds or combinatorial compound libraries for detection of candidate pharmacological agents capable of treating neurological diseases (ie multiwell format, 96, 386, or 1544 wells) Use of targeted low affinity GFP-Aequorin for the selective detection of high concentration calcium microdomains in cell population studies. This technique is much more powerful than using a fluorescent die that senses calcium.

可能性ある適用3:前臨床試験研究:
Ca2+活性の動的画像は、インビボでの生きた被験者の動物完全体の生物発光による画像化により獲得できる(図15〜18)。生じた光は、哺乳動物の組織を貫通し、外的に検出でき、感度の高い光画像化システムを使用して定量できる。生きた動物内から発生するGFP−エクオリンシグナルにより、高い信号雑音比のCa2+流入画像が得られ、これは、高度な時間的解像度をもって追跡できた。この技術は、生きた被験者において非侵襲的な機能的アッセイを実施するための強力なツールを示し、前臨床試験研究のためのより予測的な動物データを提供するはずである。
Possible application 3: Preclinical studies:
Dynamic images of Ca 2+ activity can be obtained by bioluminescence imaging of the whole animal of a living subject in vivo (FIGS. 15-18). The resulting light penetrates mammalian tissue and can be detected externally and quantified using a sensitive photoimaging system. The GFP-Aequorin signal generated from within a living animal resulted in a Ca 2+ influx image with a high signal-to-noise ratio, which could be tracked with a high temporal resolution. This technique should represent a powerful tool for performing non-invasive functional assays in living subjects and provide more predictive animal data for preclinical study studies.

考察
したがって、本発明は、光タンパク質に共有結合的に連結した蛍光分子を含む、改変された生物発光システムを提供し、ここで、2つのタンパク質間の連結は、改変された生物発光システムを安定化させる機能を有し、化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)によりエネルギーが移動することを可能とする。好ましい実施形態において、生物発光システムは、エクオリンタンパク質に共有結合的に連結したGFPタンパク質を含み、ここで、2つのタンパク質間の連結は、改変された生物発光システムを安定化させる機能を有し、化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)によりエネルギーが移動することを可能とする。
DISCUSSION Accordingly, the present invention provides a modified bioluminescent system comprising a fluorescent molecule covalently linked to a photoprotein, wherein the linkage between the two proteins stabilizes the modified bioluminescent system. The energy can be transferred by chemiluminescence resonance energy transfer (CRET). In a preferred embodiment, the bioluminescent system comprises a GFP protein covalently linked to an aequorin protein, wherein the linkage between the two proteins has the function of stabilizing the modified bioluminescent system; It allows energy to be transferred by chemiluminescence resonance energy transfer (CRET).

本発明は、組換えポリペプチドを含む組成物を提供し、該組成物は、カルシウムイオンと結合し、エネルギーを測定可能なものとする機能的特徴を有し、該エネルギーは、あらゆる光励起の非存在下で、該組成物中の結合したカルシウムの量およびポリペプチドの量に依存する。   The present invention provides a composition comprising a recombinant polypeptide, the composition having a functional characteristic that binds calcium ions and makes energy measurable, the energy being non-photoexcitable In the presence, it depends on the amount of calcium bound and the amount of polypeptide in the composition.

本発明は、翻訳後に最適な条件下でドナー部位をアクセプター部位に近づける機能を有するペプチドリンカーを取り込み、これにより、本発明に記載のポリペプチドにおいて化学発光によりエネルギーの直接的な移動が可能となった。好ましいリンカーは、2001年12月6日に発行されたPCT出願第WO01/92300号、米国出願番号第09/863,901号および第10/307,389号に記載されており、その全開示を信頼し、引用例として本明細書に取り込む。   The present invention incorporates a peptide linker that has the function of bringing the donor site closer to the acceptor site under optimal conditions after translation, thereby enabling direct transfer of energy by chemiluminescence in the polypeptide of the present invention. It was. Preferred linkers are described in PCT Application No. WO 01/92300, US Application Nos. 09 / 863,901 and 10 / 307,389, issued Dec. 6, 2001, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Reliable and incorporated herein by reference.

したがって、本発明は、式:
GFP−リンカー−AEQ
の組換えポリペプチドを利用する。
Thus, the present invention provides the formula:
GFP-linker-AEQ
The recombinant polypeptide is used.

ここでGFPは、緑色蛍光タンパク質であり;AEQはエクオリンであり;リンカーは、4〜63アミノ酸、好ましくは14〜50アミノ酸のポリペプチドである。   Where GFP is a green fluorescent protein; AEQ is aequorin; the linker is a polypeptide of 4 to 63 amino acids, preferably 14 to 50 amino acids.

リンカーは、以下のアミノ酸:
(Gly Gly Ser Gly Ser Gly Gly Gln Ser)(ここでnは1〜5である)
を含むことができる。好ましくは、nは1であるか、またはnは5である。リンカーはまた、アミノ酸配列Ser Gly Leu Arg Serを含むことができる。
The linker has the following amino acids:
(Gly Gly Ser Gly Ser Gly Gly Gln Ser) n (where n is 1 to 5)
Can be included. Preferably n is 1 or n is 5. The linker can also include the amino acid sequence Ser Gly Leu Arg Ser.

Ca++の存在下でのエクオリンの活性化後の化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)によるエクオリンから緑色蛍光タンパク質へのエネルギー移動のための別の組換えポリペプチドは、式:
GFP−リンカー−AEQ
を有する。
Another recombinant polypeptide for energy transfer from aequorin to green fluorescent protein by chemiluminescence resonance energy transfer (CRET) after activation of aequorin in the presence of Ca ++ is of the formula:
GFP-linker-AEQ
Have

ここで、GFPは、緑色蛍光タンパク質であり;AEQはエクオリンであり;リンカーは、以下のアミノ酸
(Gly Gly Ser Gly Ser Gly Gly Gln Ser)(ここでnは1〜5である)
を含み;ここで、融合タンパク質は、Ca2+イオンに対する親和性および少なくとも24時間の半減期を有する。リンカーは、アミノ酸配列Ser Gly Leu Arg Serを含むことができる。さらに、該組換えポリペプチドはさらに、組換えポリペプチドを細胞または細胞下区画に標的化させるためのペプチドシグナル配列を含むことができる。
Where GFP is a green fluorescent protein; AEQ is aequorin; the linker is the following amino acid (Gly Gly Ser Gly Ser Gly Gly Gln Ser) n (where n is 1 to 5)
Wherein the fusion protein has an affinity for Ca 2+ ions and a half-life of at least 24 hours. The linker can comprise the amino acid sequence Ser Gly Leu Arg Ser. In addition, the recombinant polypeptide can further comprise a peptide signal sequence for targeting the recombinant polypeptide to a cell or subcellular compartment.

本発明はまた、上記した組換えポリペプチドをコードするポリヌクレオチドも提供する。   The present invention also provides a polynucleotide encoding the above-described recombinant polypeptide.

本発明のポリヌクレオチドを含むプラスミドは、以下のように、Collection Nationale de Cultures de Microorganismes(「C.N.C.M.」)、パスツール研究所、28、rue du Docteur Roux、75724 Paris Cedex 15、フランスに寄託されている。   The plasmid containing the polynucleotide of the present invention is as follows: Collection Nationale de Cultures de Microorganisms (“CNCM”), Pasteur Institute, 28, rue du Docteur Roux, 75724 Paris Cedex 15 Has been deposited in France.

Figure 2007531514
Figure 2007531514

PSDGAプラスミドを含むE.coli細胞は、慣用の細胞培養条件でLB培地中で37℃で培養できる。   E. containing PSDGA plasmid E. coli cells can be cultured at 37 ° C. in LB medium under conventional cell culture conditions.

Ca2+トランジェントは、発達、神経可塑性、神経伝達、興奮毒性、および他の重要な過程に必要である、多種多様なシグナル伝達経路に関与している。細胞および細胞下レベルでコードされているCa2+依存的活性は、複雑であり、空間的、時間的および定量的因子が関与する。ここで本発明者らは、遺伝子的にコードされている組換えポリペプチドであるGFP−エクオリンの生物発光を可視化することにより、局所Ca2+シグナル伝達を定量する手法を実証した。シナプス伝達に重要なシグナルペプチドまたはタンパク質に融合させることにより、単一細胞またはより複雑な系における局所Ca2+シグナル伝達を直接可視化するために使用できる1セットのCa2+感受性組換えポリペプチドを作成した。生物発光の検出により、良好な信号雑音比で、異なる空間的時間的特性を有する局所Ca2+シグナルを測定することが可能であった。 Ca 2+ transients are involved in a wide variety of signaling pathways that are required for development, neuroplasticity, neurotransmission, excitotoxicity, and other important processes. Ca 2+ -dependent activities encoded at the cellular and subcellular levels are complex and involve spatial, temporal and quantitative factors. Here we have demonstrated a technique for quantifying local Ca 2+ signaling by visualizing the bioluminescence of GFP-Aequorin, a genetically encoded recombinant polypeptide. By fusing to signal peptides or proteins important for synaptic transmission, a set of Ca 2+ sensitive recombinant polypeptides was created that could be used to directly visualize local Ca 2+ signaling in single cells or more complex systems . By detecting bioluminescence, it was possible to measure local Ca 2+ signals with different spatiotemporal characteristics with a good signal-to-noise ratio.

組換えGFP−エクオリンポリペプチドの毒性および分解   Toxicity and degradation of recombinant GFP-Aequorin polypeptide

本発明は、この二機能性組換えポリペプチドが、解離細胞培養物、急性もしくは器官型切片およびトランスジェニック動物の、神経ネットワーク、特定の細胞下区画および細胞ミクロドメインにおけるカルシウム活性の調査を可能とすることを示した。   The present invention allows this bifunctional recombinant polypeptide to investigate calcium activity in dissociated cell cultures, acute or organotypic sections and transgenic animals in neural networks, specific subcellular compartments and cellular microdomains. Showed that to do.

異なる生物系における本発明のこの組換えポリペプチドの発現により、インビトロまたはインビボで、単一細胞、組織、またはさらにはトランスジェニック動物完全体もしくは植物段階においても毒性が全くないことが示された。この結果はまた、該組換えポリペプチドを強力に発現した場合にも達成された。それ故、組換えポリペプチドを、トランスジェニックマウスの発達初期段階から成体まで発現させた場合でも、毒性は全く報告されなかった。さらに、組換えポリペプチドは内因性タンパク質でもなければ内因性成分も含んでいないという事実にも関わらず、該発現は、正常な生理的機能を撹乱しなかった。挙動欠陥も報告されなかった。GFP−エクオリンのCa2+結合親和性が低いため(図2C参照)、Ca2+シグナルの有意な妨害が引き起こされることはなかった。 Expression of this recombinant polypeptide of the present invention in different biological systems has shown no toxicity in vitro or in vivo, even in single cells, tissues, or even whole transgenic animals or plants. This result was also achieved when the recombinant polypeptide was strongly expressed. Therefore, no toxicity was reported even when the recombinant polypeptide was expressed from the early developmental stage to the adult stage of the transgenic mouse. Furthermore, despite the fact that the recombinant polypeptide is neither an endogenous protein nor an endogenous component, the expression did not disrupt normal physiological function. No behavioral defects were reported. Due to the low Ca 2+ binding affinity of GFP-Aequorin (see FIG. 2C), no significant interference with the Ca 2+ signal was caused.

この組換えポリペプチドの別の特徴は、それが外来性起源であるにも関わらず、発現されている細胞型または発達段階によって、該組換えタンパク質の分解が起こらなかったことである。   Another feature of this recombinant polypeptide is that although it is of exogenous origin, degradation of the recombinant protein did not occur depending on the cell type or developmental stage being expressed.

これらの二機能性組換えポリペプチドの特徴により、疾患過程における局所Ca2+シグナル伝達を研究するための有用なツールとなっている。特に、標的化二機能性組換えポリペプチドを使用して、NMDA受容体を含むシナプス後肥厚部に標的化するPSDGAmutタンパク質を使用する、神経変性疾患モデルにおけるNMDA受容体機能の研究のように、Ca2+濃度の局所的増加に関連している場合の受容体の機能をモニタリングできた。 The characteristics of these bifunctional recombinant polypeptides have made it a useful tool for studying local Ca 2+ signaling during disease processes. In particular, as in the study of NMDA receptor function in a neurodegenerative disease model using PSDGAmut protein targeting to a post-synaptic hypertrophy containing a NMDA receptor using a targeted bifunctional recombinant polypeptide, Receptor function could be monitored when associated with local increases in Ca 2+ concentration.

これらの二機能性組換えポリペプチドの特徴により、発達中の神経接続の期間、または学習および記憶、加齢および慢性的な薬物への暴露に関連した変化に伴うネットワーク特性の変化を伴う神経接続の期間などの、長い時間にわたり起こり得る、中枢シナプスにおけるCa2+の動的または変動的な変化の可視化のための極めて有用なツールとなる。 These bifunctional recombinant polypeptides are characterized by neural connectivity with changes in network properties associated with duration of developing neural connectivity or changes associated with learning and memory, aging and chronic drug exposure It becomes a very useful tool for visualization of dynamic or variable changes in Ca 2+ at central synapses that can occur over long periods of time, such as

これらの二機能性組換えポリペプチドの特徴により、診断および薬物発見過程における極めて有用なツールとなる。特に、標的化された二機能性組換えポリペプチドを使用して、既知のCa2+濃度の局所的増加に関連した受容体の機能を特にモニタリングできた。GFP−エクオリンは、高濃度Ca2+ミクロドメインに関連した特定の細胞部位に標的化させることができ、ハイスループットスクリーニングを使用して細胞個体群における薬物効果をより特異的にモニタリングするために使用できた。現在の方法は、この目的のために標的化されていない蛍光指示物質を使用し、光退色、光毒性、低い信号雑音比、ダイ漏出、不均一なダイの分布、受容体活性化に間接的に関連している他のカルシウム動態(例えばカルシウムにより誘起されるカルシウム放出)の検出に関連した問題がある。ハイスループット薬物候補スクリーニングの近年の研究により、非標的化型のGFP−エクオリンは、蛍光プローブにより提供される信号雑音比よりも有意に良好な信号雑音比を有することが実証された。これは、多くの神経疾患に関与している抑制性G−タンパク質の活性化により誘起されるCa2+流入などの少ないCa2+流入をモニタリングするのに特に有用である(Niedernbergら、2003)。それ故、GFP−エクオリンは、蛍光指示物質による検出が困難であるα−7含有ニコチン受容体として知られる、ニコチン受容体サブタイプに関連したCa2+流入をモニタリングするのに有用であり得る。 The characteristics of these bifunctional recombinant polypeptides make them extremely useful tools in the diagnostic and drug discovery process. In particular, targeted bifunctional recombinant polypeptides could be used to specifically monitor receptor function associated with local increases in known Ca 2+ concentrations. GFP-Aequorin can be targeted to specific cellular sites associated with high concentrations of Ca 2+ microdomains and can be used to more specifically monitor drug effects in cell populations using high-throughput screening. It was. Current methods use fluorescent indicators that are not targeted for this purpose and are indirectly related to photobleaching, phototoxicity, low signal-to-noise ratio, die leakage, uneven die distribution, and receptor activation. There are problems associated with detecting other calcium kinetics associated with (eg calcium-induced calcium release). Recent studies of high-throughput drug candidate screening have demonstrated that non-targeted GFP-Aequorin has a significantly better signal-to-noise ratio than that provided by fluorescent probes. This is particularly useful for monitoring low Ca 2+ influx, such as Ca 2+ influx induced by activation of inhibitory G-proteins involved in many neurological diseases (Niedernberg et al., 2003). Therefore, GFP-Aequorin may be useful for monitoring Ca 2+ influx associated with nicotine receptor subtypes, known as α-7-containing nicotine receptors, which are difficult to detect with fluorescent indicators.

Ca2+の光学的検出は、特定の表現型または病態に関連する「リアルタイム」動的活性および長期細胞変化を可視化するための簡単な手法を提供できる。例えば、シナプス機能におけるCa2+プロファイルの空間的時間的特異性を特徴づけることは、統合失調症、並びに、アルツハイマー病、パーキンソン病、およびハンチントン舞踏病などの神経変性疾患の発症に関連した早期事象に関与している、細胞Ca2+恒常性撹乱の原因である機序を解明するのに重要である(Lidow、2003;MattsonおよびChan、2003;Stutzmanら、2004;Tangら、2003)。 Optical detection of Ca 2+ can provide a simple technique for visualizing “real-time” dynamic activity and long-term cellular changes associated with a particular phenotype or condition. For example, characterizing the spatial and temporal specificity of the Ca 2+ profile in synaptic function is associated with early events associated with the development of schizophrenia and neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and Huntington's chorea. It is important to elucidate the mechanisms responsible for the cellular Ca 2+ homeostasis involved (Lidow, 2003; Mattson and Chan, 2003; Stuttzman et al., 2004; Tang et al., 2003).

生物発光を用いて作業する利点は、非常に高度な時間解像度を用いた記録を長期間におよび行なうことができることである。長期記録のために、エクオリン光タンパク質の消費を考慮する必要がある。しかし、本発明者らは、皮質切片を含む組織切片において非常に高度な時間解像度(1ミリ秒間の解像度)で長期記録(9時間まで)をとることができた。全体的に、本発明者らは、光タンパク質消費およびCa2+変動の検出感度レベルは、発現される組換えポリペプチドの量、発現組換えポリペプチドの位置、および使用するコエレンテラジン類似体の種類に関連していることを見出した(Shimomura、1997;Shimomuraら、1993)。これは、適用により、細胞により異なる場合があり、蛍光プローブと同様に各場合において最適化する必要がある。Ca2+感受性生物発光組換えポリペプチドはまた、光に感受性の生物系の研究において選択されるリポーターを代表することもできる。 The advantage of working with bioluminescence is that recordings with very high time resolution can be performed over a long period of time. For long-term recording, it is necessary to consider the consumption of aequorin photoprotein. However, we were able to take long-term recordings (up to 9 hours) with very high temporal resolution (1 millisecond resolution) in tissue sections including cortical sections. Overall, the inventors have determined that the sensitivity level of photoprotein consumption and Ca 2+ variation depends on the amount of recombinant polypeptide expressed, the location of the expressed recombinant polypeptide, and the type of coelenterazine analog used. We found it relevant (Shimomura, 1997; Shimomura et al., 1993). This may vary from cell to cell depending on the application and needs to be optimized in each case as well as fluorescent probes. Ca 2+ sensitive bioluminescent recombinant polypeptides can also represent reporters selected in the study of light sensitive biological systems.

Ca2+感受性蛍光リポーターシステムとの比較 Comparison with Ca 2+ sensitive fluorescent reporter system

蛍光の可視化は、光による蛍光分子の励起のために外的な光源を必要とし(光は放射線の吸収により生じる)、これは光退色、光毒性、および自己蛍光(時間の経過と共に変動する強度をもつ高いバックグラウンド)を引き起こす。生物発光リポーターは、蛍光リポーターよりも信号雑音比が有意により高い。画像化適用においては、高い信号雑音比が、より良好な品質のデータを得るために望ましい。なぜなら、低レベルのシグナルは、干渉により影響をより受けにくいからである。   Fluorescence visualization requires an external light source for the excitation of fluorescent molecules by light (light is caused by the absorption of radiation), which is photobleaching, phototoxicity, and autofluorescence (intensities that vary over time) High background). Bioluminescent reporters have a significantly higher signal to noise ratio than fluorescent reporters. In imaging applications, a high signal-to-noise ratio is desirable to obtain better quality data. This is because low level signals are less susceptible to interference.

生物発光の検出は、生きた未処置動物における生物過程をモニタリングするための非侵襲的な方法である。蛍光リポーターは、組織上での光励起により大量の自己蛍光を生じるので問題である。さらに、光は組織を通過して、蛍光分子を励起しなければならず、その後、より長い波長の放射光は、組織を通って戻ってきて検出器により検知されなければならない。遺伝子的にコードされたCa2+感受性蛍光リポーターは、温度およびpHに対して感受性であるか、または、哺乳動物細胞の天然タンパク質であるカルモジュリンを含む。カルモジュリンの過剰発現は、トランスジェニック動物において表現型を生じる可能性がある。 Bioluminescence detection is a non-invasive method for monitoring biological processes in living untreated animals. Fluorescent reporters are problematic because they produce a large amount of autofluorescence upon photoexcitation on tissue. Furthermore, the light must pass through the tissue to excite the fluorescent molecules, after which the longer wavelength emitted light must return through the tissue and be detected by the detector. Genetically encoded Ca 2+ sensitive fluorescent reporters are sensitive to temperature and pH, or contain calmodulin, a natural protein of mammalian cells. Overexpression of calmodulin can produce a phenotype in transgenic animals.

インビボでの動物完全体の生物蛍光による画像化に関して、エクオリン−コエレンテラジンシステムをルシフェラーゼ−ルシフェリンシステムと比較   Compare the aequorin-coelenterazine system to the luciferase-luciferin system for biofluorescence imaging of whole animals in vivo

ルシフェラーゼリポーターシステムは、生きた動物における感染過程、腫瘍進行、および遺伝子発現を追跡するために利用されてきた。このシステムは、臨床試験において薬物候補を試験するための動物モデルとして現在では十分に確立されている。単一細胞および脳切片における本発明者らの近年のデータにより、生物発光リポーターとして単一細胞レベルでのGFP−エクオリンの使用をルシフェラーゼシステムと好意的に比較したことが示唆されている。GFP−エクオリンは、Ca2+活性のリポーターとして使用できる組換えポリペプチドであるので、本発明者らは、生きたマウスにおけるより動的な変化を追跡するために組換えポリペプチドを発現するマウスを使用し、動物完全体レベルで良好な時間的解像度でGA生物発光を検出することが可能であることを示した。特定の細胞ドメインにおける[Ca2+濃度の上昇は、多くの病的過程の発症に関連している。カルシウムはまた、発達およびアポトーシス過程に関与する重要なシグナル伝達イオンでもある。本発明者らは、本発明者らの研究において、大きなCa2+変化が、アポトーシス事象に関連していることを見出した。この過程の早期事象は、ミトコンドリアによるCa2+の放出に関与していると考えられている。静止状態の健康な細胞のミトコンドリアにおけるCa2+レベルは、一般に、サイトゾル[Ca2+]に近いので、ミトコンドリアCa2+レベルの増加は、細胞死に至る非常に早期な変化を示すようである。ミトコンドリアは、現在は細胞バイオセンサーとして明確に捉えられており、ミトコンドリアCa2+取扱いの変化は、この特性の中心的なものである。これは、ルシフェラーゼリポーターの代替的な手法を提供し、この技術で可能となる適用を広げる。検出技術の連続的な改良と来たるべき補因子の化学反応の改良とを合わせると、これらの組換えポリペプチドを発現するマウスは、生物学の全ての側面において、新規処置形式の臨床試験のための強力な解析システムとなる可能性を有する。 The luciferase reporter system has been utilized to track infection processes, tumor progression, and gene expression in living animals. This system is now well established as an animal model for testing drug candidates in clinical trials. Our recent data on single cells and brain sections suggests that the use of GFP-Aequorin at the single cell level as a bioluminescent reporter was favorably compared to the luciferase system. Since GFP-Aequorin is a recombinant polypeptide that can be used as a reporter of Ca 2+ activity, we have identified mice expressing recombinant polypeptide to track more dynamic changes in live mice. Used and shown to be able to detect GA bioluminescence with good temporal resolution at the whole animal level. Increased [Ca 2+ ] i concentrations in specific cellular domains are associated with the development of many pathological processes. Calcium is also an important signaling ion involved in developmental and apoptotic processes. We found in our studies that large Ca 2+ changes are associated with apoptotic events. Early events in this process are thought to be involved in the release of Ca 2+ by mitochondria. Since Ca 2+ levels in the mitochondria of quiescent healthy cells are generally close to the cytosol [Ca 2+ ], an increase in mitochondrial Ca 2+ levels appears to indicate a very early change leading to cell death. Mitochondria are now clearly seen as cellular biosensors, and changes in mitochondrial Ca 2+ handling are central to this property. This provides an alternative approach to luciferase reporters and broadens the applications that are possible with this technology. Combined with the continuous improvement of detection technology and the improvement of the upcoming cofactor chemistry, mice expressing these recombinant polypeptides have been identified in all aspects of biology for clinical trials of new treatment formats. It has the potential to be a powerful analysis system.

最後に、本発明者らは、強力なプロモーターであるβ−アクチンおよびまたLox−Stop−Loxシステムの制御下であるmtGAをコードする導入遺伝子を作成した。ここで示した結果により、CRE調節導入遺伝子は、マウス胚において機能的であることが示された。マウスの任意の発達段階においてリポータータンパク質の細胞型特異的発現を誘起することにより、本発明者らは、今回、生きた動物内で起こっている細胞過程をより正確に研究することができた。例えば、本発明者らは、細胞特異的プロモーターの調節下にあるCREを含む組換えウイルスを使用できた。それ故、発癌過程または腫瘍進行を、選択された細胞型もしくは組織、急性もしくは器官型切片、または動物完全体レベルにおいて研究できた。   Finally, we created a transgene that encodes the strong promoter β-actin and also mtGA under the control of the Lox-Stop-Lox system. The results presented here indicated that the CRE-regulated transgene is functional in the mouse embryo. By inducing cell type specific expression of the reporter protein at any stage of development of the mouse, the present inventors have now been able to more accurately study the cellular processes occurring in living animals. For example, we could use a recombinant virus containing a CRE under the control of a cell specific promoter. Therefore, carcinogenic processes or tumor progression could be studied at the selected cell type or tissue, acute or organotypic section, or whole animal level.

主な利点は、これらの動物を変異疾患動物またはモデルと交雑させて、異なる病態を調べることができたことである。これらの動物はまた、生体外またはインビトロでの研究のための特定の標識された組織、細胞および腫瘍の取得源を提供できる。   The main advantage is that these animals could be crossed with mutant disease animals or models to investigate different pathologies. These animals can also provide a source of specific labeled tissues, cells and tumors for in vitro or in vitro studies.

定義
以下の用語は、本明細書で使用する場合、以下の意味を有する。
Definitions The following terms, as used herein, have the following meanings.

発光
原子または分子からのUV、可視、またはIRの電気磁気的放射線の放射。この放射は、電気的に励起された状態から、より弱いエネルギー状態、一般には基底状態への遷移により生じる。
Emission Radiation of UV, visible, or IR electromagnetic radiation from an atom or molecule. This emission is caused by a transition from an electrically excited state to a weaker energy state, generally the ground state.

蛍光
非常に短い電気的に励起された一重線により生じる蛍光。この発光は、励起源と同時に消失する。
Fluorescence Fluorescence produced by a very short electrically excited singlet. This emission disappears simultaneously with the excitation source.

化学発光
化学反応により生じる発光。
Chemiluminescence Luminescence generated by chemical reaction.

生物発光
生きた生物により生じる可視的な化学発光。本発明は、支持体に固定することなく、クラゲに天然に存在するシステムを模倣した。
Bioluminescence Visible chemiluminescence produced by living organisms. The present invention mimics a naturally occurring system in jellyfish without being fixed to a support.

生物発光システム
本発明に記載の生物発光システムは、真ん中にペプチドリンカーと補酵素(すなわちコエレンテラジン)を含むキメラ三量体分子である。リンカーと共有結合的に付着している第一分子および第二分子は、第一にドナー部位、第二にそれに付着したアクセプター部位を有していれば、どんなものでもよい(受容体−リンカー−リガンド、抗体−リンカー抗原)。該キメラタンパク質は、Coen.L.、Osta.R.、Maury,M.、およびBrulet,P.、Construction of hybrid proteins that migrate retrogradely and transynaptically into the central nervous system.、Proc.Natl.Acad.Sci.(米国)94(1997)9400-9405により、軸策での逆行的なシナプス経由輸送のために破傷風毒素断片に融合させても、または膜受容体に融合させてもよい。
Bioluminescent system The bioluminescent system according to the present invention is a chimeric trimeric molecule comprising a peptide linker and a coenzyme (ie coelenterazine) in the middle. The first and second molecules covalently attached to the linker can be anything as long as they have first a donor site and second an acceptor site attached to it (receptor-linker- Ligand, antibody-linker antigen). The chimeric proteins are Coen.L., Osta.R., Maury, M., and Brulet, P., Construction of hybrid proteins that migrate retrogradely and transynaptically into the central nervous system., Proc. Natl. Acad. Sci. (US) 94 (1997) 9400-9405 may be fused to a tetanus toxin fragment or a membrane receptor for retrograde synaptic transport via axon.

放射なし
エクオリンがカルシウムイオンと結合した時、エクオリンからGTPへの光子の放射はない。(それ故、本発明においてエクオリンによる青色光の伝達はなく、エネルギー移動は、2つのタンパク質間で直接なされる)。
No radiation When aequorin combines with calcium ions, there is no photon emission from aequorin to GTP. (Therefore, in the present invention, there is no transmission of blue light by aequorin and energy transfer is directly between the two proteins).

FRETシステム
蛍光による共鳴によるエネルギー移動(すなわち2つのGFP変種間での)。
FRET system Energy transfer by resonance by fluorescence (ie between two GFP variants).

参考文献
緑色蛍光タンパク質およびカルモジュリンに基づいたCa2+の蛍光指示物質。
References Ca 2+ fluorescent indicator based on green fluorescent protein and calmodulin.

Miyawaki,A.、LIopis,J、Heim,R.、McCaffery,J.M.、Adams,J.A.、Ikura,M.およびTsien,R.Y.、Nature(1997)Vol.388p.882-887。   Miyawaki, A., LIopis, J, Heim, R., McCaffery, J.M., Adams, J.A., Ikura, M. and Tsien, R.Y., Nature (1997) Vol. 388p. 882-887.

生きた細胞における、カルモジュリン結合配列により連結された2つの緑色蛍光タンパク質変種を含む指示物質の蛍光放射のCa2+依存的変化の検出。新しい分類の蛍光指示物質。 Detection of Ca 2+ -dependent changes in fluorescent emission of an indicator comprising two green fluorescent protein variants linked by a calmodulin binding sequence in living cells. A new class of fluorescent indicators.

Figure 2007531514
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CRET
化学発光による共鳴エネルギー移動(すなわち、リンカーを含まないGFP−エクオリン(クラゲエクオリア(Aequorea))とのまたはGFP−オベライン(obeline)との融合タンパク質。
CRET
Resonance energy transfer by chemiluminescence (ie, fusion protein with GFP-Aequorin without linking (Aequorea) or with GFP-Obeline).

参考文献
化学発光エネルギー移動
References Chemiluminescence energy transfer

Figure 2007531514
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BRET
生物発光による共鳴によるエネルギー移動(すなわち、GFPとルシフェラーゼ(クラゲ・レニラ(Renilla))の間の相互作用)。
BRET
Energy transfer due to bioluminescence resonance (ie, interaction between GFP and luciferase (Jellyfish Renilla)).

参考文献
生物発光共鳴エネルギー移動(BRET)システム:相互作用している生体時計タンパク質への適用。
References Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) System: Application to interacting biological clock proteins.

Figure 2007531514
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参考文献
以下の文献を本明細書に引用する。本明細書に引用したこれらの各々の文献および他の各々の文献の全開示を信頼し本明細書に取り込む。
References The following references are cited herein. The entire disclosure of each of these references and each other cited herein is relied upon and incorporated herein.

米国特許文書:
第6,662,039 B2号。蛍光指示物質を用いての神経接続の光学的プロービング。2003年12月、Yusteら。
US patent documents:
No. 6,662,039 B2. Optical probing of neural connections using fluorescent indicators. December 2003, Yuste et al.

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シナプス前および後区画の特定の細胞下ドメインに標的化された様々なGFP−エクオリンリポーターの局在を示す図。GFP−エクオリンリポーターは、シナプトタグミンI(SynGA)への融合によりミトコンドリアマトリックス(mtGA)に、そしてPSD95(PSDGA)への融合により小胞体(erGA)腔など様々な細胞ドメインに標的化される。低親和型の各リポーターにより、高濃度カルシウムミクロドメインを選択的に検出でき、これにより特定の細胞活性が示される。FIG. 5 shows the localization of various GFP-aequorin reporters targeted to specific subdomains of presynaptic and posterior compartments. The GFP-Aequorin reporter is targeted to various cellular domains such as the mitochondrial matrix (mtGA) by fusion to synaptotagmin I (SynGA) and to the endoplasmic reticulum (erGA) cavity by fusion to PSD95 (PSDGA). Each low-affinity reporter can selectively detect high-concentration calcium microdomains, indicating a specific cellular activity. 細胞特異的標的化のための様々なGAキメラの図。白いアステリスクは、Kendallら、1992の記載した、光タンパク質のCa2+結合親和性を低下させる、エクオリンの(Asp−119→Ala)変異の位置を示す。GAは、標的化能をもたないGFP−エクオリンを示し、これはG5Aと称され、2つのタンパク質の間に柔軟性のリンカーを含んでいる(GAおよびSynGAは、PCT/EP01/07057号出願に公表されている)。mtGAは、GAを、チトクロムcオキシダーゼのサブユニットVIIIの切り出し可能な標的化配列に融合させることにより、ミトコンドリアに標的化させたGFP−エクオリンであり;erGAは、免疫グロブリン重鎖のN末端領域への融合後に小胞体腔に標的化されるGFP−エクオリンであり;PSDGAは、シナプス後構造に局所標的化するために、GFP−エクオリンをPSD95に融合させたものである。全ての構造物は、ヒトサイトメガロウイルスプロモーター(pCMV)の制御下にある。Diagram of various GA chimeras for cell specific targeting. The white asterisk indicates the location of the (Asp-119 → Ala) mutation in aequorin, which reduces the Ca 2+ binding affinity of the photoprotein as described by Kendall et al., 1992. GA represents GFP-Aequorin without targeting ability, which is called G5A and contains a flexible linker between the two proteins (GA and SynGA are PCT / EP01 / 07057 applications) Published). mtGA is GFP-Aequorin targeted to mitochondria by fusing GA to the excisable targeting sequence of cytochrome c oxidase subunit VIII; erGA is to the N-terminal region of the immunoglobulin heavy chain GFP-Aequorin targeted to the endoplasmic reticulum cavity after fusion; PSDGA is a fusion of GFP-Aequorin to PSD95 for local targeting to the postsynaptic structure. All constructs are under the control of the human cytomegalovirus promoter (pCMV). mtGAのCa2+濃度応答曲線。該組換えタンパク質を、天然または合成類似体であるhコエレンテラジン(天然複合体よりもCa2+感受性が高いと報告されている)を用いて再構成した後のmtGAのCa2+濃度応答曲線(pH7.2、26℃で測定(n=3))。エクオリンの消費速度分率は、生理的pCa範囲において[Ca2+]に比例する。光タンパク質の消費速度分率は、画定された[Ca2+](L)における光放射と、飽和[Ca2+](Lmax)における最大光放射の間の比として表現する。Ca 2+ concentration response curve of mtGA. The recombinant protein is reconstituted with the natural or synthetic analog h-coelenterazine (which is reported to be more sensitive to Ca 2+ than the natural complex) after mtGA Ca 2+ concentration response curves (pH 7. 2, measured at 26 ° C. (n = 3)). The rate of consumption of aequorin is proportional to [Ca 2+ ] in the physiological pCa range. Consumption rate fraction of light the protein comprises an optical radiation in a defined [Ca 2+] (L), expressed as the ratio between the maximum light radiation in saturation [Ca 2+] (Lmax). 特定の細胞下ドメインに標的化された様々なGFP−エクオリンキメラの共焦点顕微鏡による解析。(A)mtGA、GFP−エクオリンは、COS7および皮質ニューロンにおけるミトコンドリアマトリックスに良好に標的化されている。(B)erGA、GFP−エクオリンは、小胞体腔に良好に標的化されている。(C)PSDGA、PSD95タンパク質のC末端に融合させたGFP−エクオリンにより、Ca2+−リポーターが点状に標識され、これは、解離皮質ニューロンにおける天然タンパク質の標的化に似ている。(D)SynGA、シナプス小胞の膜貫通タンパク質であるシナプトタグミンIのC末端に融合させたGFP−エクオリンにより、シナプス領域が標識される。標的化GAリポーターはまた、関連抗体を用いた免疫組織化学的染色によっても確認される。Analysis by confocal microscopy of various GFP-Aequorin chimeras targeted to specific subcellular domains. (A) mtGA, GFP-Aequorin is well targeted to the mitochondrial matrix in COS7 and cortical neurons. (B) erGA, GFP-Aequorin is well targeted to the endoplasmic reticulum cavity. (C) GFP-Aequorin fused to the C-terminus of PSDGA, PSD95 protein labeled the Ca 2+ -reporter in a punctiform manner, similar to targeting of native proteins in dissociated cortical neurons. (D) SynGA, the synaptic region is labeled with GFP-aequorin fused to the C-terminus of synaptotagmin I, which is a transmembrane protein of synaptic vesicles. Targeted GA reporters are also confirmed by immunohistochemical staining with related antibodies. 標的化能を有さない型のGFP−エクオリンでトランスフェクトされた皮質細胞。GFP−エクオリンを、高親和性のh型のコエレンテラジンを用いて再構成した。(A)GFP蛍光により、Ca2+リポーターの均一分布が示される。(B、b)100μMのNMDAおよび(C、c)90mMのKClを、GAでトランスフェクトした単一皮質ニューロンに適用した後のCa2+により誘起される生物発光、並びに、対応するグラフデータ。(D)ジギトニンを含む高濃度Ca2+溶液を、実験の最後に加え、Ca2+濃度を較正するために光タンパク質の総量を定量した。40倍の対物レンズ(1.3NA)を使用して室温(23〜25℃)で画像を得た。尺度基準棒=15μm。検出される光子の数により示される[Ca2+]の変化は、偽色で暗号化され(1〜5光子/画素)、暗青色は少ない画素数を示し、赤は、多い画素数を示す。Cortical cells transfected with a type of GFP-Aequorin that has no targeting ability. GFP-Aequorin was reconstituted with high affinity h-type coelenterazine. (A) GFP fluorescence shows a uniform distribution of Ca 2+ reporters. (B, b) Bioluminescence induced by Ca 2+ after application of 100 μM NMDA and (C, c) 90 mM KCl to single cortical neurons transfected with GA, and corresponding graph data. (D) A high concentration Ca 2+ solution containing digitonin was added at the end of the experiment and the total amount of photoprotein was quantified to calibrate the Ca 2+ concentration. Images were obtained at room temperature (23-25 ° C.) using a 40 × objective lens (1.3 NA). Scale reference bar = 15 μm. The change in [Ca 2+ ] indicated by the number of detected photons is encrypted with a false color (1-5 photons / pixel), dark blue indicates a small number of pixels, and red indicates a large number of pixels. mtGAでトランスフェクトされた皮質ニューロンにおけるNMDAにより誘起されるCa2+の流入。GFPは、最初の画像であるベースラインに示されているように蛍光顕微鏡によりCa2+リポーター発現パターンを可視化させることができ、ここでベースラインのGFP蛍光画像を、刺激前の光子画像と重ね合わせている。高感度の画像光子検出器(IPD)を使用して、Ca2+により誘起された生物発光を、NMDA(100μM)の適用後に記録した。IPD検出により、高度の時間的解像度と、中程度の空間的解像度が得られる。(A)CCD蛍光画像、尺度基準棒=5μmと(B)IPD光子画像との間の空間的解像度の比較を示したズーム領域を参照されたい。(C)対象の領域を示すGFP蛍光画像および対応するグラフデータ。尺度基準棒=10μm。グラフはまた、細胞全体の応答についても示す。各光子画像は、30秒間累積された光を示す。バックグラウンド<1光子/秒。色尺度は、1〜5光子/画素としての発光流入を示す。Ca2 + influx induced by NMDA in cortical neurons transfected with mtGA. GFP can visualize the Ca 2+ reporter expression pattern by fluorescence microscopy as shown in the initial image baseline, where the baseline GFP fluorescence image is overlaid with the pre-stimulated photon image. ing. Using a highly sensitive image photon detector (IPD), bioluminescence induced by Ca 2+ was recorded after application of NMDA (100 μM). IPD detection provides a high temporal resolution and a medium spatial resolution. See the zoom region showing a comparison of spatial resolution between (A) CCD fluorescence image, scale bar = 5 μm and (B) IPD photon image. (C) GFP fluorescence image showing the region of interest and corresponding graph data. Scale reference bar = 10 μm. The graph also shows the overall cell response. Each photon image shows light accumulated for 30 seconds. Background <1 photon / second. The color scale shows the emission inflow as 1 to 5 photons / pixel. SynGAでトランスフェクトされた皮質ニューロンにおけるCa2+により誘起された生物発光活性。神経モデュレーターの添加前の基礎状態において、解析された領域は、バックグラウンドに比べて高いレベルの活性を示した。これは、SynGAでトランスフェクトされたニューロンにおいて一貫して観察される。通常、GFP−エクオリンを天然エクオリンで再生した場合にはリポーターの結合親和性は低いので、Ca2+の静止レベルを検出することは難しい。mtGAおよびPSDGAは、一般に、同種の活性を示さないが、PSDGAは時に、自発的に偶然的に起こる非常に限局されたCa2+流入を示す場合がある。これらの結果は、SynGAが、サイトゾルCa2+の静止レベルに関して通常報告されているよりも高いCa2+濃度である細胞ドメインに標的化されていることを示唆する。バックグラウンド光子は、256×256画素領域において1光子/秒未満であった。細胞体幹および神経突起に沿った種々の場所から20×20画素領域が選択された。グラフデータはまた、各領域におけるバックグラウンド計数の増加も示す。バックグラウンドはゼロに非常に近く、よって見られないことが特筆される。高濃度のK(90mM KCl)の添加後の、細胞体幹および神経突起におけるCa2+の流入。対応する(BF)明視野および(FI)蛍光画像、並びに、蛍光画像と光子画像の重ね合わせが示されている。尺度基準棒=20μm。光子画像は、1〜5光子/画素となるように縮尺した。Bioluminescence activity induced by Ca 2+ in cortical neurons transfected with SynGA. In the basal state before the addition of the neuromodulator, the analyzed area showed a high level of activity compared to the background. This is consistently observed in neurons transfected with SynGA. Usually, when GFP-aequorin is regenerated with natural aequorin, the binding affinity of the reporter is low, so it is difficult to detect the resting level of Ca 2+ . mtGA and PSDGA generally do not show the same type of activity, but PSDGA sometimes exhibits very localized Ca 2+ influx that occurs spontaneously and accidentally. These results suggest that SynGA is targeted to cellular domains that have higher Ca 2+ concentrations than are normally reported for cytosolic Ca 2+ resting levels. The background photons were less than 1 photon / second in the 256 × 256 pixel area. A 20 × 20 pixel region was selected from various locations along the cell trunk and neurite. The graph data also shows an increase in background count in each region. It is noteworthy that the background is very close to zero and therefore not seen. Ca 2+ influx in somatic trunks and neurites after addition of high concentrations of K + (90 mM KCl). Corresponding (BF) bright field and (FI) fluorescence images, and a superposition of the fluorescence and photon images are shown. Scale reference bar = 20 μm. The photon image was scaled to 1-5 photons / pixel. PSDGAでトランスフェクトされた皮質ニューロン。(A)GFP蛍光を可視化して、Ca2+リポーターの発現を示すニューロンを同定し、この発現は、天然PSD95タンパク質の発現に似ている。D1およびD2と称される2つの樹状突起領域(15×15画素)並びに同じサイズの細胞体幹の領域における光子放射を調べ、グラフ表示した。Ca2+シグナル伝達の動態は、解析した2つの樹状突起領域において同一であることが判明したが、細胞体幹と比べると顕著に異なることが判明した。(B)NMDAを最初に適用した後に放射された光子の全積分(50〜200秒)を示す光子画像。解析した2つの樹状突起領域における全ての光タンパク質が、初回のNMDAの適用後に完全に消費されたので、二回目のNMDA適用後には細胞体幹領域においてのみ光子が検出された。偽色尺度は、1〜5光子/画素を示す。尺度基準棒=10μm。Cortical neurons transfected with PSDGA. (A) Visualizing GFP fluorescence to identify neurons that show Ca 2+ reporter expression, which is similar to that of native PSD95 protein. The photon emission in two dendritic regions (15 × 15 pixels), called D1 and D2, as well as the region of the same size cell trunk was examined and displayed graphically. The kinetics of Ca 2+ signaling was found to be identical in the two analyzed dendritic regions, but was found to be significantly different compared to the cell body trunk. (B) Photon image showing the total integral (50-200 seconds) of the photons emitted after the initial application of NMDA. Since all photoproteins in the two dendritic regions analyzed were completely consumed after the first NMDA application, photons were detected only in the soma trunk region after the second NMDA application. The false color scale indicates 1-5 photons / pixel. Scale reference bar = 10 μm. PSDGA(PSD95に融合させたGFP−エクオリン)を発現している皮質細胞から記録された自発的活性の観察。基礎的な条件下で応答を記録し、グラフ表示する(色は、同じ20×20画素領域から収集したデータを示す、1画素=0.65μm)。対応する例の実地説明がなされ、これには積分光子画像とグラフデータが含まれる。Observation of spontaneous activity recorded from cortical cells expressing PSDGA (GFP-Aequorin fused to PSD95). The response is recorded and displayed graphically under basic conditions (colors represent data collected from the same 20 × 20 pixel area, 1 pixel = 0.65 μm). A hands-on explanation of the corresponding example is made, which includes integrated photon images and graph data. アデノウイルス−GFP−エクオリンベクターで感染させた、新生児マウス脳の器官型海馬切片培養における長期にわたるCa2+動態の生物発光による画像化。(A)GFP蛍光は、Ca2+リポーターを発現している個々の細胞を示す。生物発光活性の大きな増加および蛍光の消失により示される細胞死が明らかになるまで、約9時間におよび活性を記録した。蛍光画像は、撮っている間は周期的に(30分毎に)撮影した。代表的な光子画像並びに対応するグラフデータ(最後の7時間)を示す。バックグラウンド<1光子/秒×10。Bioluminescence imaging of long-term Ca 2+ kinetics in organotypic hippocampal slice cultures of neonatal mouse brain infected with adenovirus-GFP-aequorin vector. (A) GFP fluorescence shows individual cells expressing the Ca 2+ reporter. Activity was recorded for approximately 9 hours until cell death, as evidenced by a large increase in bioluminescent activity and loss of fluorescence, became apparent. Fluorescence images were taken periodically (every 30 minutes) while taking. A representative photon image and corresponding graph data (last 7 hours) are shown. Background <1 photon / second × 10. PSDGAベクターのマップ。Map of PSDGA vector. PSD95(ヌクレオチド616〜2788位)、アダプター(大文字)、GFP(2842〜3555)、リンカー(3556〜3705、大文字)、およびエクオリン(3706〜4275)を含む挿入断片のコード配列(および対応するタンパク質配列)。Coding sequence (and corresponding protein sequence) of the insert including PSD95 (nucleotide positions 616-2788), adapter (upper case), GFP (2842-3555), linker (3556-3705, upper case), and aequorin (3706-4275) ). mtGAベクターのマップ。Map of mtGA vector. チトクロムCオキシダーゼのサブユニットVIIIの切り出し可能な標的化配列(ヌクレオチド636〜722位、大文字)、GFP(741〜1454)、リンカー(1455〜1604、大文字)およびエクオリン(1605〜2174)を含む挿入断片のコード配列(および対応するタンパク質配列)。Insertion fragment containing cytochrome C oxidase subunit VIII excisable targeting sequence (nucleotide positions 636 to 722, upper case), GFP (741 to 1454), linker (1455-1604, upper case) and aequorin (1605 to 2174) Coding sequence (and corresponding protein sequence). GFP−エクオリンが特定の細胞ドメインに局在している場合の単一細胞における動的活性の検出。PSDGAでトランスフェクトされた皮質ニューロンにおけるCa2+により誘起される生物発光。細胞下(subcellularly)で生じるCa2+波の伝播と応答プロファイルは非常に複雑であることが示された。これらの研究で使用したIPDカメラでは、μ秒の時間軸での解像度が得られ、オンラインの視覚化の場合のみ積分時間が特定される。非常に変動性の時間尺度で作業することにより、これ自体、生理的パラメータである、Ca2+活性の空間時間的な特性を完全に調べることが可能となる。尺度基準棒=20μm。Detection of dynamic activity in single cells when GFP-Aequorin is localized to a specific cellular domain. Bioluminescence induced by Ca 2+ in cortical neurons transfected with PSDGA. The propagation and response profile of the Ca 2+ waves that occur subcellularly have been shown to be very complex. The IPD camera used in these studies provides a resolution on the microsecond timeline, and the integration time is specified only for online visualization. Working on a highly variable time scale makes it possible to fully examine the spatio-temporal properties of Ca 2+ activity, which is itself a physiological parameter. Scale reference bar = 20 μm. 海馬ニューロンにおける電気により誘起されるCa2+振動。24時間培養液の蛍光(FI)および明視野画像(BF)であって、パルス発生器に接続したパッチ様のピペット(7〜10MΩ)を、画像で示される「下の」細胞の体領域と穏やかに接触させた。尺度基準棒=20μm。1回の2ミリ秒の電気パルスにより誘起された光放射(A)が5秒間隔で、下のパネルに示されたA〜Eのグラフに示されている。印加した電圧を各グラフに記載する(電極は、ピペットが接続されたバッテリー側を意味する)。光子画像を明視野画像と重ね合わせる。BFに示された3個の領域の光放射分率(L/Lmax)がグラフA〜Eに示され、連続的な電気刺激に相当する。(F)20秒間の時間中に対象の各領域で記録された全てのCa2+トランジェントが、時間の関数として示されている。アステリスクは、一連の自発的に生じたトランジェントの最初のものを示す。(G)電気配置図。I.S.隔絶された刺激器、R、電気中継器、A、パッチ増幅器ヘッド。ニューロンを、GFP−エクオリン遺伝子を含むウイルスベクターでトランスフェクトさせた(より詳細には方法を参照されたい)。Ca 2+ oscillations induced by electricity in hippocampal neurons. Fluorescence (FI) and bright field image (BF) of a 24-hour culture, with a patch-like pipette (7-10 MΩ) connected to a pulse generator and the body area of the “lower” cell shown in the image Gently contacted. Scale reference bar = 20 μm. The light emission (A) induced by a single 2 millisecond electrical pulse is shown in the graphs A-E shown in the lower panel at 5 second intervals. The applied voltage is described in each graph (the electrode means the battery side to which the pipette is connected). Superimpose the photon image with the bright field image. The light emission fractions (L / Lmax) of the three regions shown in BF are shown in graphs A to E and correspond to continuous electrical stimulation. (F) All Ca 2+ transients recorded in each area of interest during a 20 second time period are shown as a function of time. An asterisk represents the first of a series of spontaneous transients. (G) Electrical layout. I. S. Isolated stimulator, R, electrical repeater, A, patch amplifier head. Neurons were transfected with a viral vector containing the GFP-Aequorin gene (see method for more details). 10、5日令のトランスジェニック胚と野生型胚のGFP蛍光。キメラmtGA(pCAG−Lox−stop−Lox−mtGA)マウスをPGK−CREマウスと交雑させ、発達開始から生体の全ての細胞における導入遺伝子の発現を活性化させた。(A)野生型およびトランスジェニックマウスの10、5日令の胚の明視野画像。(B)対応するGFP蛍光画像。表現型異常は認められない。GFP fluorescence of 10-day and 5-day-old transgenic and wild-type embryos. Chimeric mtGA (pCAG-Lox-stop-Lox-mtGA) mice were crossed with PGK-CRE mice to activate transgene expression in all cells of the organism from the start of development. (A) Bright field images of 10- and 5-day-old embryos of wild type and transgenic mice. (B) Corresponding GFP fluorescence image. There are no phenotypic abnormalities. 全ての細胞においてミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンタンパク質を発現している新生児トランスジェニックマウスにおけるGFP蛍光。発達開始から生体の全ての細胞における導入遺伝子(PGK−CREとの交雑による)の活性化後のmtGAマウスの明視野画像および対応するGFP蛍光画像。(A)足、(B)上半身の背中図、(C1)頭部の背面の図、および(C2)P1mtGAマウスの皮質におけるmtGAの標的化。新生児または成体マウスにおける身体的または挙動的異常は全く認められない。GFP fluorescence in neonatal transgenic mice expressing GFP-aequorin protein targeted to mitochondria in all cells. Bright field images and corresponding GFP fluorescence images of mtGA mice after activation of the transgene (by crossing with PGK-CRE) in all cells of the organism from the start of development. (A) paw, (B) upper body back view, (C1) back view of head, and (C2) mtGA targeting in cortex of P1 mtGA mice. There are no physical or behavioral abnormalities in newborns or adult mice. トランスジェニック新生児マウスから切り出した器官と野生型マウスの器官のGFP蛍光画像。P5トランスジェニックmtGAと野生型マウスのGFP蛍光画像。主要な器官の画像を撮影し、全ての器官において強力な発現レベルを示す。最も高い発現レベルが心臓および肝臓において認められる。導入遺伝子を全ての細胞において発達開始時に活性化した場合、器官の異常は全く認められない。GFP fluorescence images of organs cut out from transgenic newborn mice and organs of wild type mice. GFP fluorescence image of P5 transgenic mtGA and wild type mice. Images of major organs are taken and show strong expression levels in all organs. The highest expression levels are found in the heart and liver. When the transgene is activated at the start of development in all cells, no organ abnormalities are observed. 全ての細胞において導入遺伝子を発現しているトランスジェニック動物の皮質におけるmtGAの共焦点解析。生きた動物の全ての細胞におけるmtGA導入遺伝子の発現を活性化するために、トランスジェニックマウスを、PGK−CREマウスと交雑させた。器官型切片をP4マウスから調製し、4日間培養中に保持し、その後、Ca2+により誘起される生物発光を検出する実験を行なった。実験完了時に、切片を固定し、次いで、GFAP(グリア細胞の検出のため)およびNeuN(ニューロンの検出のため)で染色した。両方の抗体が、mtGA導入遺伝子の発現の場所に両方共局在した。ミトコンドリアマトリックス(mtGA)に標的化させるためにチトクロムcのシグナルペプチドに融合させた後、GFP蛍光は、期待されるGAリポーターの発現パターンを示す。これらの結果は、トランスジェニックmtGAリポーターマウスを、全細胞のCreを活性化するPGK−CREマウスと交雑させた場合、mtGA導入遺伝子が、脳の全ての細胞に発現されることを示す。Confocal analysis of mtGA in the cortex of transgenic animals expressing the transgene in all cells. In order to activate mtGA transgene expression in all cells of live animals, transgenic mice were crossed with PGK-CRE mice. Organotypic sections were prepared from P4 mice and kept in culture for 4 days, after which experiments were performed to detect bioluminescence induced by Ca 2+ . At the completion of the experiment, sections were fixed and then stained with GFAP (for detection of glial cells) and NeuN (for detection of neurons). Both antibodies were both localized at the location of expression of the mtGA transgene. After fusion to a cytochrome c signal peptide for targeting to the mitochondrial matrix (mtGA), GFP fluorescence shows the expected expression pattern of the GA reporter. These results indicate that the mtGA transgene is expressed in all cells of the brain when transgenic mtGA reporter mice are crossed with PGK-CRE mice that activate Cre in whole cells. 未熟マウス脳の体性感覚皮質におけるミトコンドリアCa2+トランジェントの同調振動。(BF、明視野、FI、蛍光画像)器官型切片(皮質)を、脳の全ての細胞においてミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現しているP4トランスジェニックマウスから切り出した。切片を、画像化前に、4〜5日間、培養で保持した。コエレンテラジン(wt)と共にインキュベートした後、切片を緩衝液(Mg2+を含むまたは含まない)中で灌流した。2つの切片の結果を提示し、これによれば、緩衝液からMg2+を除去すれば、Ca2+振動が生じ、これはミトコンドリアマトリックス内に検出され、D−APV(50μM)というNMDAアンタゴニストにより完全かつ可逆的に遮断されることが示される。光子を、脳皮質のI〜III/IVおよびVの層の体性感覚皮質に相当する550μm領域から収集した。Synchronous oscillation of mitochondrial Ca 2+ transients in somatosensory cortex of immature mouse brain. (BF, bright field, FI, fluorescence image) Organotype sections (cortex) were excised from P4 transgenic mice expressing GFP-Aequorin targeted to mitochondria in all cells of the brain. Sections were kept in culture for 4-5 days before imaging. After incubation with coelenterazine (wt), sections were perfused in buffer (with or without Mg 2+ ). The results of two sections are presented, according to which removal of Mg 2+ from the buffer results in Ca 2+ oscillations that are detected in the mitochondrial matrix and are completely eliminated by the NMDA antagonist D-APV (50 μM). And is shown to be reversibly blocked. Photons were collected from the 550 μm 2 region corresponding to the somatosensory cortex of the I-III / IV and V layers of the brain cortex. ミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを有するP1マウスの動物完全体の生物発光による画像化。左手のマウスは野生型マウスであり、右手のマウスは、全ての細胞においてミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現しているトランスジェニックマウスである。両方のマウスにコエレンテラジン(4μg/g)を腹腔内注射した。A〜Cは、別個の連続物であり、時間をかけて連続画像を獲得した。マウスのグレースケール写真を、ほの暗い光を放射するダイオード照射の下でチャンバー中で最初に収集し、その後、偽色発光画像を獲得し、重ねた。各枠は、5秒間の光累積を示す。紫(最も強度が低い)から赤(最も強力)の光強度に相当する色基準棒を、各連続物の端に記載している。尺度基準棒=2cm。Bioluminescence imaging of whole animal of P1 mice with GFP-Aequorin targeted to mitochondria. The left hand mouse is a wild type mouse and the right hand mouse is a transgenic mouse expressing GFP-Aequorin targeted to mitochondria in all cells. Both mice were injected intraperitoneally with coelenterazine (4 μg / g). A to C were separate series and acquired continuous images over time. Gray scale photographs of mice were first collected in the chamber under diode illumination emitting a faint light, and then false color emission images were acquired and overlaid. Each frame shows the light accumulation for 5 seconds. Color reference bars corresponding to light intensities from purple (lowest intensity) to red (highest intensity) are listed at the end of each series. Scale reference bar = 2 cm. ミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを有するP3マウスの動物完全体の生物発光による画像化。左手のマウスは野生型マウスであり、右手のマウスは、全ての細胞においてミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現しているトランスジェニックマウスである。両方のマウスにコエレンテラジン(4μg/g)を腹腔内注射した。AおよびBは、別個の連続物を示し、時間をかけて連続画像を獲得した。マウスのグレースケール写真を、ほの暗い光を放射するダイオード照射の下でチャンバー中で最初に収集し、その後、偽色発光画像を獲得し、重ねた。各枠は、5秒間の光累積を示す。紫(最も強度が低い)から赤(最も強力)の光強度に相当する色基準棒を、各連続物の端に記載している。尺度基準棒=4cm。Bioluminescence imaging of whole animal of P3 mice with GFP-Aequorin targeted to mitochondria. The left hand mouse is a wild type mouse and the right hand mouse is a transgenic mouse expressing GFP-Aequorin targeted to mitochondria in all cells. Both mice were injected intraperitoneally with coelenterazine (4 μg / g). A and B showed separate sequences and acquired sequential images over time. Gray scale photographs of mice were first collected in the chamber under diode illumination emitting a faint light, and then false color emission images were acquired and overlaid. Each frame shows the light accumulation for 5 seconds. Color reference bars corresponding to light intensities from purple (lowest intensity) to red (highest intensity) are listed at the end of each series. Scale reference bar = 4 cm. より高度な時間解像度を用いた、動物完全体におけるミトコンドリアCa2+動態の生物発光による画像化。左手のマウスは野生型マウスであり、右手のマウスは、全ての細胞においてミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現しているトランスジェニックマウスである。両方のマウスにコエレンテラジン(4μg/g)を腹腔内注射した。2〜5秒間の露光時間を、各連続枠に示す。Bioluminescence imaging of mitochondrial Ca 2+ dynamics in whole animals using higher temporal resolution. The left hand mouse is a wild type mouse and the right hand mouse is a transgenic mouse expressing GFP-Aequorin targeted to mitochondria in all cells. Both mice were injected intraperitoneally with coelenterazine (4 μg / g). An exposure time of 2-5 seconds is shown in each continuous frame. より高度な時間解像度を用いた、動物完全体におけるミトコンドリアCa2+動態の生物発光による画像化。左手のマウスは野生型マウスであり、右手のマウスは、全ての細胞においてミトコンドリアに標的化されたGFP−エクオリンを発現しているトランスジェニックマウスである。画像は、1秒間の光累積を示す。色棒は、光の強度に対応する。画像は、Xenogen IVIS 100動物完全体生物発光システムを使用して獲得した。ビニング=16、F/stop=1。Bioluminescence imaging of mitochondrial Ca 2+ dynamics in whole animals using higher temporal resolution. The left hand mouse is a wild type mouse and the right hand mouse is a transgenic mouse expressing GFP-Aequorin targeted to mitochondria in all cells. The image shows the light accumulation for 1 second. The color bar corresponds to the light intensity. Images were acquired using a Xenogen IVIS 100 animal whole body bioluminescence system. Binning = 16, F / stop = 1.

Claims (78)

生物系におけるCa2+動態の光学的検出法であって、前記方法は、前記生物系に存在する、蛍光タンパク質に連結した化学発光タンパク質を含むかまたはからなる、組換えCa2+感受性ポリペプチドにより放射される光子をモニタリングすることを含む、前記方法。 A method for optical detection of Ca 2+ kinetics in a biological system, said method comprising emitting a recombinant Ca 2+ sensitive polypeptide comprising or consisting of a chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein present in said biological system. Monitoring said photons. 細胞内Ca2+シグナル伝達の光学的検出のための、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1 for optical detection of intracellular Ca2 + signaling. ある細胞から別の細胞への伝達を検出するためにCa2+シグナルの伝播を光学的に検出するための、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1 for optically detecting the propagation of a Ca 2+ signal to detect transmission from one cell to another. 前記検出を、インビボで行なう、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the detection is performed in vivo. 前記検出を、生体外で行なう、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the detection is performed ex vivo. 前記化学発光タンパク質が、カルシウムイオンと結合する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the chemiluminescent protein binds to calcium ions. 前記化学発光タンパク質が、エクオリンである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the chemiluminescent protein is aequorin. 前記エクオリンが、カルシウムイオンに対する低い親和性を有する変異エクオリンである、請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, wherein the aequorin is a mutant aequorin having a low affinity for calcium ions. 前記の変異エクオリンが、次の置換Asp407→Alaを有する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, wherein the mutant aequorin has the following substitution Asp407 → Ala. 前記蛍光タンパク質が、GFPである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the fluorescent protein is GFP. 前記蛍光タンパク質が、異なる波長で発光するGFPの変種である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the fluorescent protein is a GFP variant that emits light at different wavelengths. 前記のGFPの変種が、CFP、YFP、およびRFPからなる群より選択される、請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, wherein the GFP variant is selected from the group consisting of CFP, YFP, and RFP. 前記蛍光タンパク質が、前記組換えポリペプチドの光子放射強度および/または安定性を向上させる、GFPの変異体である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。   10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the fluorescent protein is a variant of GFP that improves the photon emission intensity and / or stability of the recombinant polypeptide. 前記組換えポリペプチドが、エクオリンおよびGFPまたはそのそれぞれの変異体もしくは変種を含むかまたはからなり、前記エクオリンおよびGFPが、化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)を可能とするリンカーにより連結されている、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。   The recombinant polypeptide comprises or consists of aequorin and GFP or a respective variant or variant thereof, wherein the aequorin and GFP are linked by a linker that allows chemiluminescence resonance energy transfer (CRET); The method according to any one of claims 1 to 13. 前記リンカーが、4〜63アミノ酸、好ましくは14〜50アミノ酸を含む、請求項14に記載の方法。   15. A method according to claim 14, wherein the linker comprises 4 to 63 amino acids, preferably 14 to 50 amino acids. 前記リンカーが、配列[Gly−Gly−Ser−Gly−Ser−Gly−Gly−Gln−Ser]を含むかまたはからなり、ここでのnは1〜5であり、好ましくはnは1であるか、またはnは5である、請求項14〜15のいずれか1項に記載の方法。 The linker comprises or consists of the sequence [Gly-Gly-Ser-Gly-Ser-Gly-Gly-Gln-Ser] n , where n is 1-5, preferably n is 1. The method according to claim 14, wherein n is 5. 前記組換えポリペプチドがさらに、前記の得られる生物発光タンパク質を特定の細胞ドメインまたは細胞区画へと標的化させることのできる、ペプチド断片を含む、請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。   17. The recombinant polypeptide of any one of claims 1-16, wherein the recombinant polypeptide further comprises a peptide fragment capable of targeting the resulting bioluminescent protein to a specific cellular domain or compartment. Method. 前記ペプチド断片が、シナプトタグミン、PSD95、チトクロムCオキシダーゼのサブユニットVIII、免疫グロブリン重鎖を含む群より選択される、請求項17に記載の方法。   18. The method of claim 17, wherein the peptide fragment is selected from the group comprising synaptotagmin, PSD95, cytochrome C oxidase subunit VIII, immunoglobulin heavy chain. 前記の生物系が、細胞または細胞群より選択される、請求項1〜18のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 18, wherein the biological system is selected from a cell or a group of cells. 前記の生物系が、組織またはその一部である、請求項1〜18のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the biological system is a tissue or a part thereof. 前記の生物系が、動物完全体または植物である、請求項1〜18のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 18, wherein the biological system is a whole animal or a plant. 光子放射をモニタリングする前に、エクオリンを活性とするために、コエレンテラジンを投与するステップを含む、請求項19〜21のいずれか1項に記載の方法。   23. The method of any one of claims 19-21, comprising administering coelenterazine to activate aequorin prior to monitoring photon emission. 光子放射をモニタリングする前に、前記組換えポリペプチドを生物系に投与するステップを含む、請求項19〜22のいずれか1項に記載の方法。   23. A method according to any one of claims 19 to 22, comprising administering the recombinant polypeptide to a biological system prior to monitoring photon emission. 前記組換えポリペプチドを、生物系に、好ましくは静脈内、腹腔内、または筋肉内に注入する、請求項21〜22のいずれか1項に記載の方法。   23. A method according to any one of claims 21 to 22, wherein the recombinant polypeptide is injected into a biological system, preferably intravenously, intraperitoneally or intramuscularly. 前記組換えポリペプチドをコードする核酸を、生物系に導入する、請求項19〜22のいずれか1項に記載の方法。   23. The method of any one of claims 19-22, wherein the nucleic acid encoding the recombinant polypeptide is introduced into a biological system. 前記組換えポリペプチドをコードする前記核酸を、組換えベクターにより、特に組換えウイルスベクターにより、生物系に送達する、請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein the nucleic acid encoding the recombinant polypeptide is delivered to a biological system by a recombinant vector, in particular by a recombinant viral vector. 前記組換えポリペプチドをコードする前記核酸を、遺伝子導入により生物系に導入する、請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein the nucleic acid encoding the recombinant polypeptide is introduced into a biological system by gene transfer. 前記光学的検出を、ゲノムから前記組換えポリペプチドを発現している非ヒトトランスジェニック動物またはトランスジェニック植物で行なう、請求項21〜27のいずれか1項に記載の方法。   28. The method of any one of claims 21 to 27, wherein the optical detection is performed in a non-human transgenic animal or transgenic plant expressing the recombinant polypeptide from the genome. 前記非ヒトトランスジェニック動物が哺乳動物である、請求項28に記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the non-human transgenic animal is a mammal. 前記非ヒトトランスジェニック動物がマウスである、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the non-human transgenic animal is a mouse. 前記組換えポリペプチドの発現および/または局在が、特定の組織、単細胞型、または細胞区画もしくはドメインに限定される、請求項27〜30のいずれか1項に記載の方法。   31. The method of any one of claims 27-30, wherein expression and / or localization of the recombinant polypeptide is limited to a particular tissue, single cell type, or cell compartment or domain. 前記単細胞型が、神経細胞、心臓細胞、または肝臓細胞である、請求項31に記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein the single cell type is a neural cell, heart cell, or liver cell. 前記細胞区画が、ミトコンドリアまたは葉緑体である、請求項31に記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein the cell compartment is mitochondrion or chloroplast. a)GFP蛍光検出による、細胞群、組織、細胞、または細胞区画もしくはドメインの発達、形態、または機能の特徴づけ、および
b)請求項1〜33のいずれか1項に記載の方法による、前記細胞群、前記組織、前記細胞、または前記細胞区画もしくはドメインにおけるCa2+動態の特徴づけ
を含む、生理的過程および/または病的過程の同定法。
a) characterization of cell group, tissue, cell, or cell compartment or domain development, morphology, or function by GFP fluorescence detection, and b) by the method of any one of claims 1-33, A method of identifying physiological and / or pathological processes, including characterization of Ca 2+ kinetics in a group of cells, the tissue, the cells, or the cell compartment or domain.
インビボでのCa2+動態のモニタリングが可能な条件において、蛍光タンパク質に連結した化学発光タンパク質を含むかまたはからなるカルシウム濃度に感受性の組換えポリペプチドを発現している、トランスジェニック非ヒト動物。 A transgenic non-human animal expressing a recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration comprising or consisting of a chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein under conditions allowing monitoring of Ca 2+ kinetics in vivo. 前記化学発光タンパク質がカルシウムイオンと結合する、請求項35に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   36. The transgenic non-human animal of claim 35, wherein the chemiluminescent protein binds to calcium ions. インビボで非侵襲性のモニタリングを実現させることのできる、請求項35〜36のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 36, which is capable of realizing non-invasive monitoring in vivo. 前記組換えポリペプチドが、前記動物に遺伝子的にコードされている、請求項35〜37のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   38. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 37, wherein the recombinant polypeptide is genetically encoded in the animal. カルシウム濃度に感受性の前記組換えポリペプチドが、前記トランスジェニック動物のゲノムに挿入されているポリヌクレオチドによりコードされている、請求項35〜38のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   39. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 38, wherein the recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration is encoded by a polynucleotide inserted in the genome of the transgenic animal. カルシウム濃度に感受性の前記組換えポリペプチドをコードしている前記ポリヌクレオチドが、適切な転写系および/または翻訳系の制御下に置かれている、請求項39に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   40. The transgenic non-human animal of claim 39, wherein the polynucleotide encoding the recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration is placed under the control of an appropriate transcriptional and / or translational system. 前記組換えポリペプチドの発現および/または局在が、特定の組織に限定されている、請求項35〜40のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   41. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 40, wherein the expression and / or localization of the recombinant polypeptide is limited to a specific tissue. 前記組換えポリペプチドの発現および/または局在が、単細胞型に限定されている、請求項35〜40のいずれか一項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   41. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 40, wherein the expression and / or localization of the recombinant polypeptide is limited to a single cell type. 前記単細胞型が、神経細胞、心臓細胞、または肝臓細胞である、請求項42に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   43. The transgenic non-human animal according to claim 42, wherein the single cell type is a nerve cell, heart cell, or liver cell. 前記組換えポリペプチドの発現および/または局在が、特定の細胞区画またはドメインに限定されている、請求項35〜40のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   41. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 40, wherein the expression and / or localization of the recombinant polypeptide is limited to a particular cell compartment or domain. 前記細胞区画が、ミトコンドリアである、請求項44に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   45. The transgenic non-human animal of claim 44, wherein the cell compartment is mitochondria. カルシウム濃度に感受性の前記組換えポリペプチドをコードしている前記ポリヌクレオチドの発現が、条件的である、請求項40〜45のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   46. The transgenic non-human animal according to any one of claims 40 to 45, wherein expression of the polynucleotide encoding the recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration is conditional. カルシウム濃度に感受性の前記組換えポリペプチドをコードしている前記ポリヌクレオチドが、βアクチンプロモーターおよびLox−stop−Lox配列の制御下に置かれている、請求項40〜46のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   47. The method of any one of claims 40 to 46, wherein the polynucleotide encoding the recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration is placed under the control of a β-actin promoter and a Lox-stop-Lox sequence. The transgenic non-human animal described. 前記化学発光タンパク質が、エクオリンである、請求項35〜47のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   48. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 47, wherein the chemiluminescent protein is aequorin. 前記エクオリンが、カルシウムイオンに対する高い親和性を有する変異エクオリンである、請求項48に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   49. The transgenic non-human animal according to claim 48, wherein the aequorin is a mutant aequorin having a high affinity for calcium ions. 前記エクオリンが、変異エクオリンAsp407→Alaである、請求項49に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   The transgenic non-human animal according to claim 49, wherein the aequorin is a mutant aequorin Asp407 → Ala. 前記蛍光タンパク質が、GFPである、請求項35〜50のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   51. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 50, wherein the fluorescent protein is GFP. 前記蛍光タンパク質が、異なる波長で発光するGFPの変種である、請求項35〜51のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   52. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 51, wherein the fluorescent protein is a GFP variant that emits light at different wavelengths. 前記のGFPの変種が、CFP、YFP、およびRFPからなる群より選択される、請求項52に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   53. The transgenic non-human animal of claim 52, wherein said GFP variant is selected from the group consisting of CFP, YFP, and RFP. 前記蛍光タンパク質が、前記組換えポリペプチドの光子放射強度または安定性を向上させる、GFPの変異体である、請求項35〜51のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   52. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 51, wherein the fluorescent protein is a mutant of GFP that improves the photon emission intensity or stability of the recombinant polypeptide. 前記組換えポリペプチドが、エクオリンおよびGFPまたはそのそれぞれの変異体もしくは変種を含むかまたはからなり、前記エクオリンおよびGFPは、化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)を可能とするリンカーにより連結されている、請求項35〜54のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   The recombinant polypeptide comprises or consists of aequorin and GFP or their respective variants or variants, the aequorin and GFP being linked by a linker that allows chemiluminescence resonance energy transfer (CRET); The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 54. 前記リンカーが、4〜63アミノ酸、好ましくは14〜50アミノ酸を含む、請求項55に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   56. The transgenic non-human animal according to claim 55, wherein the linker comprises 4 to 63 amino acids, preferably 14 to 50 amino acids. 前記リンカーが、配列[Gly−Gly−Ser−Gly−Ser−Gly−Gly−Gln−Ser]を含むかまたはからなり、ここでのnは1〜5であり、好ましくはnは1であるか、またはnは5である、請求項55〜56のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。 The linker comprises or consists of the sequence [Gly-Gly-Ser-Gly-Ser-Gly-Gly-Gln-Ser] n , where n is 1-5, preferably n is 1. Or a transgenic non-human animal according to any one of claims 55 to 56, wherein n is 5. 前記組換えポリペプチドがさらに、前記の得られる生物発光タンパク質を特定の区画または細胞ドメインへと標的化させることのできる、ペプチド断片を含む、請求項35〜57のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   58. The trans of any one of claims 35 to 57, wherein the recombinant polypeptide further comprises a peptide fragment capable of targeting the resulting bioluminescent protein to a particular compartment or cellular domain. A transgenic non-human animal. 前記ペプチド断片が、シナプトタグミン、PSD95、チトクロムCオキシダーゼのサブユニットVIII、免疫グロブリン重鎖を含む群より選択される、請求項58に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   59. The transgenic non-human animal of claim 58, wherein the peptide fragment is selected from the group comprising synaptotagmin, PSD95, cytochrome C oxidase subunit VIII, immunoglobulin heavy chain. 前記動物が、哺乳動物である、請求項35〜59のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   60. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 59, wherein the animal is a mammal. 前記動物が、マウスである、請求項35〜60のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物。   61. The transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 60, wherein the animal is a mouse. 請求項35〜61のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物のトランスジェニック子孫。   The transgenic progeny of the transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 61. 請求項45〜61のいずれか1項に記載の動物を、変異動物、特に既知の病態を有している動物モデルと交雑することにより得ることのできる、トランスジェニック動物。   The transgenic animal which can be obtained by crossing the animal of any one of Claims 45-61 with the mutant animal, especially the animal model which has a known pathological condition. a)DNA構造物を、非ヒト動物の胚幹細胞に導入すること、ここで、前記DNA構造物は、カルシウム濃度に感受性の組換えポリペプチドをコードしている配列、いわゆる導入遺伝子を含むかまたはからなり、前記組換えポリペプチドは、蛍光タンパク質に連結した化学発光タンパク質を含むかまたはからなり、前記導入遺伝子は、プロモーターおよび場合により条件的発現配列の制御下に置かれている、
b)前記DNA構造物が前記胚幹細胞のゲノムに挿入されている、陽性クローンを選択すること、
c)前記陽性クローンを胚盤胞に注入し、キメラ胚盤胞を回収すること、そして
d)前記キメラ胚盤胞を育成して、非ヒトトランスジェニック動物を得ること
を含む、請求項35〜60のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物の作製法。
a) introducing a DNA construct into embryonic stem cells of a non-human animal, wherein said DNA construct comprises a sequence encoding a recombinant polypeptide sensitive to calcium concentration, a so-called transgene or The recombinant polypeptide comprises or consists of a chemiluminescent protein linked to a fluorescent protein, the transgene being placed under the control of a promoter and optionally a conditional expression sequence,
b) selecting a positive clone in which the DNA construct has been inserted into the genome of the embryonic stem cell;
35. c) injecting the positive clone into a blastocyst and recovering the chimeric blastocyst, and d) growing the chimeric blastocyst to obtain a non-human transgenic animal. 60. A method for producing a transgenic non-human animal according to any one of 60.
a)請求項63の方法により第一のトランスジェニック非ヒト動物を作製すること、
b)前記の得られた第一のトランスジェニック非ヒト動物を、前記組換えポリペプチドの発現が必要とされる組織または細胞において、前記の条件的発現配列に作用するエンドヌクレアーゼを発現している動物と交雑させること、
c)特定の組織または細胞において前記組換えポリペプチドを発現しているトランスジェニック非ヒト動物を回収すること
を含む、請求項46〜61のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物の作製法。
a) producing a first transgenic non-human animal by the method of claim 63;
b) The obtained first transgenic non-human animal expresses an endonuclease that acts on the conditional expression sequence in a tissue or cell in which the expression of the recombinant polypeptide is required. Crossing with animals,
62. Production of a transgenic non-human animal according to any one of claims 46 to 61, comprising c) recovering the transgenic non-human animal expressing the recombinant polypeptide in a specific tissue or cell. Law.
前記の条件的発現配列がLox部位であり、前記エンドヌクレアーゼがCreである、請求項65に記載の方法。   66. The method of claim 65, wherein the conditional expression sequence is a Lox site and the endonuclease is Cre. 前記エンドヌクレアーゼをコードしている前記ポリヌクレオチドが、細胞特異的プロモーターの制御下に置かれている、請求項65〜66のいずれか1項に記載の方法。   67. The method of any one of claims 65 to 66, wherein the polynucleotide encoding the endonuclease is placed under the control of a cell specific promoter. 前記細胞特異的プロモーターが、肝臓、心臓、または脳において活性である、請求項65〜67のいずれか1項に記載の方法。   68. The method of any one of claims 65 to 67, wherein the cell specific promoter is active in the liver, heart, or brain. 前記DNA構造物が、プロモーター、条件的発現配列、およびカルシウム濃度に感受性の前記組換えポリペプチドをコードしている導入遺伝子を含むかまたはからなる、請求項65〜68のいずれか1項に記載の方法。   69. The DNA construct of any one of claims 65-68, wherein the DNA construct comprises or consists of a promoter, a conditional expression sequence, and a transgene encoding the recombinant polypeptide that is sensitive to calcium concentration. the method of. 前記DNA構造物が、β−アクチンプロモーター、Lox−stop−Lox配列、およびカルシウム濃度に感受性の前記組換えポリペプチドをコードしている導入遺伝子を含むかまたはからなる、請求項65〜69のいずれか1項に記載の方法。   70. Any of claims 65-69, wherein the DNA construct comprises or consists of a transgene encoding the recombinant polypeptide that is sensitive to a β-actin promoter, a Lox-stop-Lox sequence, and calcium concentration. The method according to claim 1. 前記DNA構造物が、相同的組換えにより、前記胚幹細胞のゲノムに挿入される、請求項65〜70のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 65 to 70, wherein the DNA construct is inserted into the genome of the embryonic stem cell by homologous recombination. 前記DNA構造物が、再構成されたHPRT遺伝子座に挿入される、請求項65〜71のいずれか1項に記載の方法。   72. The method of any one of claims 65-71, wherein the DNA construct is inserted into a reconstituted HPRT locus. 前記化学発光タンパク質が、エクオリンである、請求項64〜72のいずれか1項に記載の方法。   73. The method according to any one of claims 64-72, wherein the chemiluminescent protein is aequorin. 前記蛍光タンパク質が、GFPである、請求項64〜73のいずれか1項に記載の方法。   74. The method of any one of claims 64-73, wherein the fluorescent protein is GFP. 前記組換えポリペプチドが、エクオリンおよびGFPを含むかまたはからなり、前記エクオリンおよびGFPが、化学発光共鳴エネルギー移動(CRET)を可能とするリンカーにより連結されている、請求項64〜74のいずれか1項に記載の方法。   75. The recombinant polypeptide according to any of claims 64-74, wherein the recombinant polypeptide comprises or consists of aequorin and GFP, wherein the aequorin and GFP are linked by a linker that allows chemiluminescence resonance energy transfer (CRET). 2. The method according to item 1. 前記リンカーが、4〜63アミノ酸、好ましくは14〜50アミノ酸を含む、請求項64〜75のいずれか1項に記載の方法。   76. The method of any one of claims 64-75, wherein the linker comprises 4 to 63 amino acids, preferably 14 to 50 amino acids. 前記リンカーが、配列[Gly−Gly−Ser−Gly−Ser−Gly−Gly−Gln−Ser]を含むかまたはからなり、ここでのnは1〜5であり、好ましくはnは1であるか、またはnは5である、請求項64〜76のいずれか1項に記載の方法。 The linker comprises or consists of the sequence [Gly-Gly-Ser-Gly-Ser-Gly-Gly-Gln-Ser] n , where n is 1-5, preferably n is 1. 77. The method of any one of claims 64-76, wherein n is 5. a)請求項35〜61のいずれか1項に記載のカルシウム濃度に感受性の組換えポリペプチドを発現しているトランスジェニック動物において、請求項1〜33のいずれか1項に記載の方法により、Ca2+の動態を検出し、場合によりCa2+を定量すること、
b)対象の分子を、前記トランスジェニック動物に投与または前記トランスジェニック動物において発現させること、
c)ステップa)を繰り返すこと、
d)注入前後のCa2+の位置、動態、場合により量を比較すること、ここで、Ca2+の位置、動態、および/または量の変動は、前記分子がCa2+をモデュレートできることを示唆している、
を含む、請求項35〜61のいずれか1項に記載のトランスジェニック非ヒト動物におけるCa2+をモデュレートできる分子をスクリーニングする方法。
a) In a transgenic animal expressing a recombinant polypeptide sensitive to the calcium concentration according to any one of claims 35 to 61, by the method according to any one of claims 1 to 33, detecting the kinetics of Ca 2+, optionally quantifying the Ca 2+ that,
b) administering or expressing in the transgenic animal the molecule of interest;
c) repeating step a);
d) the injection position of the front and rear of the Ca 2+, kinetics, optionally comparing the amount, where the position of Ca 2+, kinetics, and / or the amount of change, suggesting that the molecule can modulate the Ca 2+ Yes,
62. A method for screening a molecule capable of modulating Ca2 + in a transgenic non-human animal according to any one of claims 35 to 61, comprising:
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